OTL音频功率放大电路的分析与设计

2018-07-05 11:41张倩

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2018年2期

张倩

(沈阳工程学院自动化学院，辽宁沈阳 110136 )

功率放大电路是电子产品中不可或缺的驱动单元，用于向负载提供一定功率。耳机、收音机、仪表指针和电动机绕组等负载，都需要功率放大电路驱动其执行动作[1]。音频功率放大器的作用是把来自音源或前级电路的弱信号放大后，产生足够大的电流和电压去推动扬声器工作[2]。设计一个用于音频频带的OTL功率放大电路，其电路具有音频效果好、失真度低、频带宽、输出功率大等特点。

1 功率放大器工作原理

该设计的输入级采用集成运放构成的电压放大电路，用来放大从传感器信号接收到的电压信号。集成运放具有电压放大倍数大、抑制零点漂移、输入阻抗高的优点[3]。输出级采用甲乙类单电源OCL功率放大电路驱动负载，该电路能够消除交越失真，具有较好的电路输出对称性和功率放大作用[4]。整个设计由3部分组成，它们分别为：直流稳压电源、前置放大电路以及功率放大电路。系统框图如图1所示，其中直流稳压电源的作用是为前置放大电路以及功率放大电路提供稳定的直流电压；前置放大电路的作用是将100 mV输入小信号电压初步放大，然后输送到功率放大级；功率放大电路的作用是将从前置放大电路输入进来的交流信号进行功率放大，最后提供给负载，使其达到要求功率。

图1 OTL功率放大器系统

2 直流稳压电源设计

直流稳压电源电路图如图2所示。通过变压器变压，再通过桥式整流电路进行整流，可以起到将交流电源转化为直流电源的作用。再通过滤波和稳压，得出所需要的直流电压。其中，变压器匝数比为20:1。桥式整流电路由4个二极管构成，4个二极管两两对接，输入正半部分时D1、D3两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，D2、D4两只管导通，由于通过负载的电流方向没变，所以输出还是得到正弦波的正半部分，单相桥式整流电路把交流变成了脉动的直流。滤波电容C1和C2具有平波作用，在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，能把电压释放出来，使负载电压比较平滑。稳压电路中，采用集成稳压芯片LM7818和LM7918产生稳压后的直流电源，为电压放大电路和功率放大电路供电。输入端电容C3和C4用以抵消输入端和环境中的电感效应，以防止自激振荡和抑制电源的高频脉冲干扰。输出端电容C5和C6用于改善负载的瞬态响应，用以消除电路的高频噪声干扰。

图2 直流稳压电源

关于整流桥型号的选择，需要对参数进行计算。通过稳压器的额定电流来计算出整流桥型号。常用的整流器的额定电流大约为1.5 A左右，因此可以计算出ID：

(1)

故桥式整流电路中的二极管元件可以通过的额定电流应在0.75 A左右，该设计选用了1G4B42型号的整流桥。桥式整流电路计算主要参数：

VL=0.9V2

(2)

(3)

3 前置放大电路设计

前置放大电路是指置于信号源与功率放大器之间的电压放大电路。前置放大器是用来接收来自传感器的微弱电压信号，主要是对小信号电压进行初步放大使其作为功放级的输入电压。一般的单级放大电路不能满足电路的需求。为了增大电压放大倍数，更好的得到适用于功率放大电路的电压，该设计采用了集成运算放大器构成电压放大电路作为前置放大级。考虑到噪声、频率响应的要求，该设计选择用低噪声的集成运放NE5532，它具有增益高、低噪声、频带宽、驱动能力强和电源电压范围大等特点。适用于高品质音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器，是音频频带信号处理常用运放之一。

前置级放大电路采用同相比例放大电路，如图3所示，输入信号Ui加在同相输入端，输出信号UO经过一个电阻R2反馈到反相输入端，形成负反馈。输出电压通过电阻R2和R1分压而得，R3是平衡电阻，R3=R1//R2。由于理想集成运放的净输入电流为零，所以i-=i+=0，且i1=i2，由于集成运放开环增益AO很大，所以U-=U+，即

(4)

图3 同相比例运算电路

由于同相和反相输入端虚短路，反相输入端U-的电位与同相输入端U+相同，即

U-=U+=Ui

(5)

将式 (5)代入式(4)得：

(6)

由式(6)可知，输出电压与输入电压成比例运算关系而且相同。同相比例运算电路的输入电阻Ri为无穷大，输出电阻RO趋近于0。

4 甲乙类OTL功率放大电路

OTL功率放大电路如图4所示。Q1和Q2组成互补输出级。甲乙类功率放大电路通过三极管所给予的一点静态偏置电压以避开死区电压区，使每一个晶体管处于微导通状态，一旦加入输入信号，使其马上进入线性工作区，能够输出高质量的输出信号。Ui正半周时，Q2导通，则在一周期内Q2导通时间约为半周期，Q1的工作情况和Q2相似，只是Ui的负半周导通。在输入信号Ui=0时，由于电路的对称，给Q1和Q2提供一个合适的偏置，从而使中间点电位等于VCC/2。

图4 OCL功率放大电路

当加入音频信号Ui时，在信号的负半周期，上管Q1导电，有电流通过负载RL，同时向电容C充电；在信号的正半周期，下管Q2导电，则已充电的电容C起着双电源电路中电源-VCC的作用，通过负载RL放电。如果忽略管子的饱和管压降，每个管子的工作电压是VCC/2，则电路的最大输出功率：

(7)

晶体管管耗：

(8)

直流电源供给功率：

(9)

为了检验电路功率放大是否能达到性能要求，利用Multisim软件进行仿真结果测试，输入信号幅值100 mV、频率1 kHz，用功率表测试输出信号，功率可达到2 W以上。用失真分析仪对输出波形做失真分析，该电路输出波形失真度小。此外用Multisim软件中的波特图示仪来测试电路的信号频率，如图5所示。由图5可以看出在20～20 000 Hz 频率范围内信号稳定、音质优可以满足音质优秀要求，说明此功率放大电路设计方案可行。

图5 波特图示仪测量结果

5 结论

设计的甲乙类OTL功率放大电路，实现了对于音频小信号的功率放大作用，包含电压前置放大和推挽互补功率放大，设计中使用了NE5532音频芯片保证音频输出质量，系统中使用的电源由直流稳压电路产生。该电路具有输出音质效果好、输出功率大、失真度低的特点，可广泛应用于音频频带的功率放大电路中，具有很大的实际应用价值。

[1] 韩辉.多通道AB类音频功率放大器的设计[D].西安：西安电子科技大学,2012.

[2] 倪磊.D类音频功率放大器的分析和设计要素[J].上海交通大学微电子学院,2008，06(8)：21-24.

[3] 冯楚华.数字功率放大器的研究与设计[D].无锡：江南大学,2008.

[4] 刘俊清,赵海,张玉梅.基于multisim10的单管放大电路的仿真[J].沈阳工程学院学报：自然科学版,2012,8(4):337-338.