基于红外光通信的功放设计

侯 龙， 刘海顺， 刘庆玲

(中国矿业大学 理学院，江苏 徐州 221116)



基于红外光通信的功放设计

侯 龙， 刘海顺， 刘庆玲

(中国矿业大学 理学院，江苏 徐州 221116)

为解决单片机功放电路设计，信号从模拟到数字再到模拟的传输以及软硬件相结合的复杂问题，提出了以红外对管为核心，辅以SS8050三极管和LM386功率放大器的红外光通信功放设计方案。通过对功放原理分析，结合音频模拟信号传输，完成了红外光通信的功放电路设计，实现了以红外对管代替复杂电路的纯硬件功放控制。该设计不仅达到了预期的音频播放效果，也为其他信号处理的教学设计提供参考。

红外对管； LM386； SS8050； 外围电路

0 引 言

功率放大器是音乐播放器、手机、笔记本电脑等消费类电子产品中应用最广的组件之一，有着很大的市场[1-3]。传统的功率放大器主要有A类、B类、AB类以及D类[4-7]，且以单片机为核心的功放常以模—数—模的信号传输为主。这些种类的特性曲线决定了该类型功率放大器的信号利用率不高、失真度较大且电路设计复杂、成本高、音频差等，不能满足人们对音质的欣赏性要求。此外，基于单片机的功放以软硬件相结合的研究也有[8-10]，但该设计程序的稳定性较差，整体的功放效率偏低，因此设计开发以模拟信号传输为主导的纯硬件功放非常有必要。

本文以红外对管[11]为核心，利用SS8050[12]三极管实现微信号放大，LM386[13]放大器实现功率放大，完成了红外光通信的功放设计。该设计以红外光为传输介质代替复杂电路，稳定性好、抗干扰性强、音频失真度小；纯粹的硬件电路设计，避免了软件设计的复杂度，节约了时间，降低了成本，提高了效率；为其他红外光通信设备的设计开拓了思路，提供了实践依据。

1 总体方案设计

红外光通信的功放系统采用模块化设计，由红外对管、SS8050三极管、LM386功率放大器及外围电路[14-15]构成。由于该系统设计采用模拟信号通信，避免了模-数-模信号传输过程中的损耗、失真，使电路设计简单完整的同时保证了音频质量的真实度。整套系统分为音源输入端、红外光发送端、红外光接收端、音频输出端。总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

2.1 红外发射端电路

红外发射端系统由SS8050三极管、红外发光管及外围电路组成。SS8050是常用的一种低电压、大电流、小信号的NPN型晶体三极管，即信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地。当有信号流入基极时，相应电压变化导致电流发生变化，进而使受基极控制的集电极电流产生很大变化，实现通过小电流控制大电流的三极管放大作用。

该电路中，5 V直流电压经电阻RV1、R1的偏置电路流至d点，调节可变电阻RV1，为SS8050三极管基极提供工作电压导通三极管，为音源信号的输入做好准备。当有音源信号从A端口输入时， SS8050三极管作为驱动电路对音频信号进行调制、放大，利用红外发光二极管将变化电压信号转换为变化光信号发射出去，实现音源信号的模拟放大发射目的。见图2。

图2 红外发射端

2.2 红外接受端电路

红外接受端系统由红外接受管、LM386集成功放及外围电路组成。LM386音频集成功放，具有功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点被应用于音频功放设计中。

本设计中，红外接受管D1、D2将接受的同频率光信号转化为电流信号实现光信号到电信号的转换。模块LM386的1、8号引脚之间外接10 μF电容将电压增益调至200；2、4号引脚接地；3号引脚为同相输入端，即音频输入端；5号引脚外接输出电容后接负载；6号引脚接单电源构成OTL电路。如图3所示。

图3 红外接受端

当被音频信号调制的红外光照射到红外线接收管D1、D2表面时，接收管经解调将红外线光信号转换成电信号，即在接收管两端产生与音频信号变化规律相同的电信号，该信号经LM386音频功率放大后由音频输出B端口输出，驱动扬声器发声。

3 实物制作

与前人功放设计[16]相比，该实物功放经调试不仅实现了音频功率放大输出的目的，且产生了很好的音频效果。正常工作时，LED灯常亮，外界信号由红线引入，经SS8050三极管放大后由红外发送端LED(白色)发送，发出的信号由红外接受端LED(黑色)接受，经滤波、耦合、去耦处理后由LM386功率放大器调制，再由喇叭口输出产生音频信号实现整体红外光通信系统的功放目的。

4 数据测试

当有音频信号从图2输入端口A流入时，用万用表2 V档测量其端口电压值，同时用另一只规格完全相同的电压表测量图3中音频输出端口B的电压值，测试结果如表1所示。

从表1可看出，该红外功放设计中，输入端信号值与输出端信号值吻合得相当好，误差范围在0.000～0.001V之间，证实了此功放的电路设计经放大、红外调制、解调、滤波、去耦等过程不仅合理可行而且信号噪声低，失真度小。

表1 信号测试数据对比表

5 结 语

本文通过电路设计、分析、元器件焊接等过程完成了对红外光通信系统的硬件制作。经调试证实了该电路的设计是合理可行的，不仅克服了基于单片机的模—数—模传输方式，同时实现了以红外对管代替复杂电路的纯硬件设计，且音频效果真实度高、噪音低、失真度小，为微信号处理设计提供了重要的依据。

[1] 程发经.RF功率放大器IC在移动电话中的应用[J].世界电子元器件,1997(7):20-24.

[2] 李 建.音频功率放大器在笔记本电脑中的新应用[J].工业控制计算机,2010,23(11):101-102.

[3] 牛栋正,宋小勇,范中国,等.非线性E类功率放大器在下一代遥测发射机中的应用研究[J].遥测遥控,2010,31(3):65-72.

[4] 秦 毅,聂纪平.音频功率放大器分类及在系统设计中的应用[J].集成电路应用,2013(10):30-32.

[5] 钟文祥.单端A类放大器及场效应管(3)[J].音响技术,2010(6):56-57.

[6] 邓宏贵,曹 祥.AB类功率放大器的设计与仿真研究[J].光电子技术,2005,25(4):229-233.

[7] 王 妍,刘帅威,金丽洁.基于D类放大的高效率音频功率放大器设计[J].电子设计工程,2011,19(11):152-155.

[8] 赵巧妮.基于单片机控制的数控功放的设计[J]. 自动化与信息工程，2012(3):30-32.

[9] 徐家惠,戚海峰,高 健,等.基于Vivado HLS的AC97音频系统设计[J].实验室研究与探索，2014,33(12):35-38.

[10] 张望成,赵 云,王洪林.基于AVR单片机的功放控保电路设计[J].计算机与网络，2011,37(15):55-58.

[11] 深圳市亿光电子商务有限公司.红外发射管手册[EB/OL].http://www.hwxdz.com/Product/084259436.html.

[12] WINGS.SS8050[EB/OL].http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/33780/WINGS/SS8050.html.

[13] UTC.LM386[EB/OL].http://html.alldatasheet.com/html-pdf/413781/UTC/LM386/52/1/LM386.html.

[14] 华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2006.

[15] 秦曾煌.电工学[M].6版.北京:高等教育出版社，2004.

[16] 刘瑞华,徐 玲,邓振宇.高效率音频功率放大器的设计[J].实验室研究与探索,2011,30(8):103-107.

Design of Power Amplifier Based on Infrared Communication

HOULong,LIUHai-shun,LIUQing-ling

(School of Sciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

In order to solve the problem of power amplifier circuit design, signal transmission from analog-digital-analog and hardware and software combination based on microcontroller, a design scheme of infrared communication power amplifier is proposed by using infrared tube as the core chip, SS8050 triode and LM386 power amplifier as the auxiliary chip. By analyzing the theory of power amplifier, combining audio analog signal transmission, the circuit of infrared communication power amplifier is designed. The pure hardware controlling power amplifier is implemented with infrared tube instead of the complex circuit. This design not only achieves the expected effects of audio player, but also provides an important reference for other teaching design on signal processing.

infrared tube; LM386; SS8050; peripheral circuit

2015-03-28

江苏省自然科学基金项目(BK20141124);中国矿业大学大学生创新创业项目(201441);中国矿业大学教育教学改革与建设项目(2013G36)

侯 龙(1988-)，男，陕西宝鸡人，硕士，主要研究方向为光学，电子学。Tel.：13813466332；E-mail：houlong036011@126.com

刘海顺 (1970-)，男，江苏徐州人，学士，教授，主要研究方向为纳米晶合金与传感器设计。

Tel.：13912006872；E-mail：liuhaishun@126.com

TN914.1

A

1006-7167(2015)11-0063-03