D类放大器要点

1、北京工业大学电子设计课程报告模拟类：d类功率放大器一、课程设计要求（一）设计任务设计、制作一个对微弱信号有放大能力的 d类低频功率放大器。（二）基本要求在输入音频信号电压幅度为10100mv在负载电阻r=8q的条件下，放大通 道应满足：,额定输出功率：po=1w 带宽：叱5khz; 在上述po ,b加围内，非线性失真0 %7 在p0下的效率大于80%（三）扩展要求1、单电源供电；2、增加输出功率;3、增加带宽；4、提高效率；:、设计方案1.功率放大器的种类我们知道，功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类、丁类（即d均）和戊类等多种工作方式。为了提高功率和效率，一般的方法是降低三极管的静态

2、工作点及由甲类到乙类，甚至到丙类。甲类、乙类、甲乙类的工作效率均低于 78.5%,丙类效率高于78.5%,但丙类放大器只适用于高频窄带放大，而作为低频 功放的d类放大器理想效率最高能到100%d类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出 管工作在高频开关状态，通过lcf氐通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在 开关状态，故具有极高的效率，实际电路效率也可达到80% 95%。1）脉宽调制器（pwm）利用三角波发生器及比较器分别采用通用集成电路，便于各部分分别实 现，方便调试，且能与后面电路使用同一电源输出，实现题目所述要求。2）音频信号放大电路将音频信号放大后再与三角波经

3、比较器比较后实现 pwm制。3）驱动电路将施密特触发器并联使用，以便获得更大电流驱动后续电路4）高速开关电路输出方式：方案一：选用推挽单端输出方式 （电路如图2所示）。电路输 出载波峰峰值不可能超过5vfe源电压，最大输出功率满足不了题目要求。5）滤波器的选择-3 -方案二：选用hw型输出方式（电路如图3所示）。此方式可充分利用电源电 压，浮动输出载波的峰峰值可达10v,有效地提高了输出功率，故选用此输出电 路形式。腓动睛ltluruiru独动信2故选用方案二开关管的选择：为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非 常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低功耗。方案一：选用晶体三极管。晶

4、体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存 时间，开关特性不够好，使得整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大。方案二：选用mosfet效应管。mos具有较小的驱动电流、低导通电阻 及良好的开关特性，故选用 mos,其中老师给出的又有irfd9120firfd12q irf9540与irf540,由于本题所要求输出功率为1w经比较可知前者的功耗1.3w 所能提供/&出功率1w后者功耗3.1w所能提供/&出功率140w经比较可知应选 用 irfd9120f irfd12q故采用方案二北京工业大学电子设计课程报告经过butterworth低通滤波电路滤波后再经信号变换输出。6）信号变换电路由于采用浮动

5、输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为1功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以 可选用较简单的单运放组成的差动减法电路实现。这里的信号变换电路与低通滤波电路实为一体。下图分别为一阶和二阶低通 滤波电路。一阶buttehto#低通滤波电路用2二阶谑波网络-18 -3.主要电路工作原理分析与计算1 .婪放大器的工作原理一般的脉宽调制d类功放的原理方框框如下图所示pwm调制器高速开关电路三角波产生播（或锯齿波）许按信号输入比较器驱动电踣开关功率输出低通号换路信变电80jr下图为工作波形示意图，其中（a）为输入信号；图（b）为三角波与输入信号进 行比较的波形；图

6、（c）为pwm出的脉冲；图（d）为功率放大器放大后的调宽脉冲； 图（e）为低通滤波并做过信号变换后的放大信号。r *2. d类功放各部分电路分析与计算1）脉宽调制器三角波产生电路。该电路我们首先利用同相输入滞回比较器产生方波信 号，再通过反向积分运算电路对信号进行积分产生三角波。考虑到节约芯片，我们用一片ne553或现，ne553想有较宽的频带和转换速 率（摆率），能够保证产生线性良好的三角波。ne553枝料：参数数值通道数2推荐电源电压（v）+ 5-15增益带宽（mhz）10功率带宽（khz）140转换速率（v/us）9输入失调电压（mv）5 (max)输入噪声电压（nv/hz）5共模抑制比

7、（db）70 (min)静态电流（ma）8抽样定理指出，由样值序列无失真恢复原信号的条件是fs2fh （fs为抽样频 率，fh为信号最高频率），载波频率最好为音频信号的十几倍，而音频信号多为 20hz-20khz。为了满足抽样定理，并且考虑电路的实现，实验时选用10khzi勺音频信号输入，150khzi勺载波，使用四阶butterworth lc8波器，输出端对载频的 衰减大于60db,能满足题目的要求，所以设计选用载波频率为150khzo电路参数的计算：uom =0uzr2t4r3cu om4r1r3cuzr2经计算的电路参数如图比较器。可用芯片为lf393rlm311,这里选用lm31建由

8、于其比较速度更 快emit out t1 3 8wcc+1n+j27j col out1n-l36baustrbvcc45balancelm31资料:响应时间200ns电源电流5.1ma工作温度范围0 c to +70 c比较器数目：1电源电压最大:36v电源电压最小：5v输入偏移电压最大:7.5mv电路图如下，为提供2.5v勺静态电位，取r2 = r5 , r13= r14,4个电阻均取10kq2）前置放大器电路如图8所示。设置前置放大器，可使整个功放的增益从120连续可调，而且也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为 1w寸，其8q 上的电压vpp=8v,此时送给比较器音频信

9、号的vppb应为2v,则功率放大的增益约为1w其电压增益要略4 （实际比较器电路原理图功放的最大不失真功率要略大于大于4） o因此必须对输入的音频信号进行前置放大， 其增益应大于5。前放采用lm74t 组成增益可调的同相放大器。lm74四料:参爹符号测试条件典型值单位输入电容ci-1.4pf失调电压调整范围-士 15mv输出电阻ro-75q输出短路电流-25ma瞬态响应上升时间tr单位增益,vi = 20mv, rl = 2kq , cl 0 100pf0.3a s过冲电压o.s.5.0%压摆率（闭环）srrl 2k q0.5v/ w s带宽增益gbwprl=12k q0.9mhzoffset

10、 null 叵inv. input 叵hoii-tnv, input 叵ric四outputoffset nulllm741管脚图选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻 r al0k的要求。同时，采用满幅运放可在降低电源电压时仍能正常放大，取 u += vcc/2 = 2. 5v,要求输入电_ 51 _阻r6大于10kq ,故取r1= r2 = 5lk q ,则r1 =万= 25.5k，反馈电阻采用电位器r4,取r4 = 10kq ,反相端电阻r3取2. 4kq ,则前置放大器的最大增益 a为r.20一a = 1 h= i + 赳9.3段24调整r3使其增益约为8,则整个功放的电压增益从0 3

11、2可调。考虑到前置放大器电路考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值u 2uom 5v ,取uom = 2v ,则要求输入的音频最大幅度 uim um = _ = 250mvav8超过此幅度则输出会产生削波失真。3）驱动电路电路如图9所示。将pwm号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用cd40106施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，再加上8050、8550互补对称式射极跟随器驱动的输出管作推挽功率输出，再此选择开关型三极管是为了减小其损 耗功率，驱动后方hw对称输出电路，同时保证了前后级之间的良好隔离，以便 快速驱动。实验原理图如下呻m.&itjltlj叮门睡时楣门袤a4科40106

12、40 lifeiii2sa/504dio2卷字动他hi出i二 ltltln85打送 ruinj切伯号240106cd4010簌料e回回叵叵叵区d -f -e -d- 二 - v f l k d j 回回囱可回回b引脚功能：2 4 6 8 10 12数据输出端1 3 5 9 11 13数据输入端14电源正7接地cd40106由六个施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有施密特触发三极管8050资料：to92mi.emlttefi才 basehubicoliector1 2 3三极管8550资料：器功能的反相器。触发器在信号的上升和下降沿的 不同点开、关。上升电压vt+和下降电压 vt-之

13、 差定义为滞后电压。类型：开关型；极性:npn;材料：硅；最大集电极电流（a）：0.5 a；直流电增益：10- 60;功耗:625 mw;最大集电极-发射极电压（vceo :25;特征频率:150 mhz类型：开关型；极性：pnp;材料：硅；最大集电极电流（a）：0.5 a；直流电增益:10 to 60;功耗:625 mw;最大集电极发射电压（vceo :25;频率：150mhz4）h桥互补对称输出及低通滤波电路对mosfeet要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。输出功率稍大于 1w属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管， irfdl20和irfd9120 m

14、o射管的参数能够满足上述要求，故采用之。实际电路如 下图。互补pwm关驱动信号交替开启 w和vt8或v6和vv,经butterworth低通滤波 电路滤波后再经过信号变换电路推动负载工作。irfd9120 irfd120k 料：irfd120100v 1.3a ,1w 25/20ns , ron=2.4virfd9120100v 1a 1w 100/100ns, ron=0.6v由于低通滤波器对载频的衰减，对滤波器的要求是上限频率20khz,在通频带内特性基本平坦。设计时采用了电子工作台软件进行仿真，从而得到一组较佳的参数：li =22uh, l2=47uh, c = 0. 68uf, c2

15、= 1uf。在20khzft下降2. 5db,可保证20khzi勺上限频率，且通频带内曲线基本平坦； 在100kh么150khzft分另j下降48dr 62db,达到要求。那动情时,入？ mn.磬动塔号*人.(5)信号变换电路配合低通滤波电路，要求增益为1,将双端变为单端输出，运放选用宽带运 放ne5532由于对这部分电路的电源电压不加限制，可不必采用价格较贵的满幅运放。由于功放的带负载能力很强，故对变换电路的输入阻抗要求不高，选 rl=r2=r3=r4=20k。其增益为av=r3/r1=20/20=1,其上限频率远超过20khzi勺指 标要求。三、实验过程(一)前置放大电路:电路介绍：前置放

16、大电路由基本运放构成，实为同相比例运算电路 仿真电路图：（二）三角波发生电路:三角波发生电路由自激震荡原理组成，用基本运放搭成 通过积分电路输出三角波。仿真电路图：产生矩形波后（三）比较器电路：电路介绍：此部分电路用lm311比较器，将三角波与放大后的正弦进行比较，然后进行采样，最终得到 spwmf号。仿真电路图：（四）驱动电路:电路介绍：此部分电路由 40106施密特触发器和三极管构成，前者用于spwmi形，然后通过三路信号是三极管基极电流足够大，实现反向并放大信v 0仿真电路图:（五）h桥对称输出及低通滤波电路：由于输入信号为反向互补信号，故采用h桥对称输出，然后通过低通滤波 电路，滤出低

17、频部分。仿真电路图：（六）信号变换电路:电路介绍：此部分电路由基本运放构成，将输入的低频信号进行信号变 换，构成一个完整的正弦波进行输出。仿真电路图：四、电路调试为了方便检查错误，我们将电路分为五个部分（三角波发生器、前置 放大器、比较器、前置驱动、信号变换电路）分开调试。每个部分单 独调试保证了一个部分出错调试时，不会影响其他部分。同时可以方 便检查错误。（一）前置放大电路输入参数为：100mv 10khz输出参数为：最大不失真输出 5v 10khz（二）三角波发生电路:输出参数：4.92v 153.53khz调试过程中出现了如下波形，后发现是阻值不合适产生了削顶失真，调整阻值后问题得以解决

18、。（三）比较器电路:输出参数：spwm号4.92v 14khz其中左上和右下是与三角波输出进行对比的波形图avl*在调试过程中出现了上图波形，这是由于电路间的干扰过大，经在电源与地之间 并些电容后得以解决（四）驱动电路:输出参数： 互补spwm 4.9v7.4799khz北京工业大学电子设计课程报告10khz（五）信号变换电路:输出参数：正弦波8.4v（六）总装图：20 -北京工业大学电子设计课程报告功率及效率的计算：输入 v0=5.01 电流 i0=0.241a输出v1=4.2v 电阻r1=&!p0 =v（o i0 =1.2074wp1 = v2 2/ri =1.506w效率 =pl 100

19、% =87.015%p0四、扩展部分（一）增加带宽由于lm74的带宽只有0.9mhz,若想提升带宽需从这里下手。从老师 所给的芯片选择范围里面，我们发现 ne5531e经是带宽比较宽的芯片，在改 进部分我们可以用它替换lm74酌前置放大电路部分，实现整体带宽的增加。五、心得体会由于我们组之前的数字部分课设完成的很顺利，没考虑很多，随便选了 婪 功率放大器，却不知道这是极难的一道， 不过既然已经选择了，我们也要继续做 下去，越难的题越能锻炼自己的能力，我们也可以从中获取更过的知识。在通信电路与广播原理这门课上，老师有讲过 以功放的知识，虽然只是皮 毛，不过有了一定的基础还是让我们入手更加迅速。在查询了很多资料，询问老 师后，我们确定了原理图。领到元器件后，我们开始连接前置放大与三角波发生器，但结果是什么也 没出。第一次的连接失败确实让我们很灰心，调整状态后，我们找出模电书，安 照书上的原理图一点点计算，一点点连接， 经过反复的检查后，终于将第一环节 搞定。此时同为 联放大题目的其他小组也遇到了各种各样的问题，我们几个小组联合起来共同研究，效果也是非常显著的，大家互