D类功率放大器(DOC)

1、1D类功率放大器摘要：本系统以高效率 D 类功率放大器为核心，通过将三角波与放大的音频信号相比较 获得PWN 脉宽调制信号，控制由 MOSFE 管构成的对称 H 桥结构进行功率放大， 再通过Butterworth 滤波器低通滤波后输出，系统还能够进行功率的测量于显 示。经测试，功率放大器效率达到 66%，系统总体比较理想的实现了设计指标的 要求。关键词：D 类功率放大器、PWN 脉宽调制、H 桥电路，Butterworth 低通滤波器目录1方案论证与选择 _ 2_1.1高效率功率放大器类型的选择 _21.1.1高效率功率放大器类型的选择 _21.1.2高速开关电路 _21)输出方式 _22)驱

2、动方式 _31.1.3滤波器的选择 _42单元电路设计 _ 52.1D类功率放大器电路 _52.1.1D类放大器的工作原理： _52.1.2三角波发生电路 _62.1.3比较器: _ 72.1.4音频信号前置放大器： _102.1.5开关放大电路： _101)驱动电路： _102)H桥互补对称输出电路： _102.1.6低通滤波器： _112.2信号变换电路 _122.3功率测量及显示电路 _123软件设计1_24系统测试及改进方案1_25结论1_4_参考文献_ 1_4_附录 1 主要元器件清单 _错_ 误！未定义书签。附录 2 程序清单 _错_ 误！未定义书签。2附录 3 印制版图 _错_

3、误！未定义书签。附录 4 系统使用说明_ 错误！未定义书签1 方案论证与选择根据题目要求，本系统由功率放大部分和两部分组成，原理方框图如图I- -1:测试用RC诱波黯!下面分别对各部分电路的设计方案进行论证与比较。1.1 高效率功率放大器1.1.1高效率功率放大器类型的选择方案一：采用 A 类、B 类、AB 类功率放大器。这三类功率放大器的功率均达 不到题目要求。方案二：采用 D 类功率放大器。D 类放大器利用脉宽调制技术，把模拟音频 信号的幅度调制为一系列矩形脉冲的宽度，再通过功率输出管进行放大，最后经 过 LC 低通滤波器后输出音频信号。输出功率管工作在开关状态，损耗小，效率 高，理论上可

4、以达到 100%实际电路也可以达到 80%-90%比较后，选择 D 类功率放大器。1.1.2高速开关电路1）输出方式方案一：采用推挽单端输出方式，如图所示，电路输出信号的峰-峰值不可能超过电源电压Vcc,输出功率难344方案二： 选用 H 桥的输出方式 （如图所示） 。 此方式浮动输出载波峰-峰值可 达 2Vcc，充分利用了电源电压，有效提高了输出效率，故选用这种电路形式。2）驱动方式方案一：通过三极管构成反向器电路，互补的两路信号分别驱动两个推挽结 构，输出两路驱动信号 PW1 和 PW2 送往开关功率管进行开关控制。使用推挽结 构目的是在短时间内提供较大电流。实际中，对该电路进行了测试，发

5、现两路 PWM&号波形不互补对称，偏差较大，而未经反向的波形良好，反向后的高电平 时间变窄约 1.5us（为反相器上跳变响应延时），下跳变时间正常。不能满足控 制需要。5方案二：利用反向器集成芯片 74HC14 实现PWM 信号的反向，输出两路互补 的驱动信号 PW1 和 PW2 送往开关功率管进行开关控制。为提供较大驱动电流， 将反向器并联使用，实际测试中测得信号的高低电平转换的延时时间约为500ns,且两路信号互补对称。方案三：利用反向器集成芯片 74HC14 实现 PWM&号的反向，互补的两路信 号分别驱动两个推挽结构，输出两路驱动信号 PW1 和 PW2 送往开关功率管

6、进行 开关控制。为提供较大驱动电流，将反向器并联使用。方案三综合了前两个方案 的优点，实际测试中效果良好，信号的高低电平转换的延时时间约为200ns,且两路信号互补对称。比较后，选择方案三。1.1.3滤波器的选择6方案一：利用两个相同的二阶 Butterworth 低通滤波器，缺陷是负载上的高7频分量的电压没有得到充分衰减。方案二：利用四个相同的二阶 Butterworth 低通滤波器，在保证通频带的前 提下使负载上的高频分量的电压获得较为充分的衰减。比较后，选择方案二。2 单元电路设计2.1D 类功率放大器电路2.1.1D 类放大器的工作原理：原理框图如下，脉宽调制器由三角波发生电路和比较器

7、两部分组成，其工作过程可由图表 示：即通过比较器实现三角波对正弦波的脉宽调制， 获得脉宽与输入信号幅度成 正比的调制信82.1.2三角波发生电路如图所示为三角波发生电路，该电路采用NE5532 和高速精密电压比较器LM311 来实现（电路如图所示）。NE5532 具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。载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路实现，选择 150kHz 的载 波，使用四阶 Butterworth LC 滤波器，输出端对载频的衰减大于 60Db,能够满 足题目的要求，所以我们选择载波频率为 150kHz。电路参数的计算： 我们把 NE5532 的 5

8、脚和 LM311 的 3 脚的电位通过 Rt1 和 Rt2分压设定为 2.5V，同时设定输出的对称三角波幅度为 1.5V。若选定 Rt5 为 68kQ，并忽略比较器高电平时在 Rt6 上的压降，贝 U Rt4 的求解过程如下：5 - 2 .51.568R14Rt468 1.52.540.8k19取 Rt4 为 43 kQ工作频率的确定主要从两个方面考虑， 一方面，作为载波的三角波的工作频 率越高越有利于提高调制信号中的基波分量， 而调制信号中基波分量的多少将直 接影响着功率放大器的效率的高低；另一方面，考虑到器件电平转换的时延，较 高频率的三角波也是较难做到的。综合考虑以上两点，我们选定工作频

9、率f=150kHz,并设定 RWt+Rt3=15 kQ,则电容 C3 计算过程如下：对电容的恒流充电或放电电流为则电容两端电压值为取 CF=220pF，Rt3=6.8 kQ, RWt 采用 200 kQ可调电位器。便于调节发生三角 波的频率为 150kHz。5 -2.52.5RWt Rt3RWtRtT10Idt二2.5C4(RWtRt3)T1其中 T1 为半周期,T1=T/2=1/2f。VCF的最大值为 3V,则代入可得CF2.5(RWtRt3)*6f-185.2pF102.1.3 比较器：选用精密、高速比较器 LM311,电路如图所示，在单电源供电的情况下，由 两两相等的电阻 Rp1 和 R

10、p2,Rp3 和 Rp4 分压提供 2.5V 的静态电位， 取 Rp 仁 Rp2=68灼，Rp3=Rp4=68。由于三角波幅度为 1.5V，所以音频信号的幅 度不能大于 1.5V，否则会使功放产生失真正弦波电压及频率1112三角波电压及频率13经 LM311 比较器后波形经 LM311 比较器后波形142.1.4音频信号前置放大器：NE5532 频带较宽、转换速率（摆率）较快，适合用于对音频信号的放大。输入电阻要求大于 10 kQ,故可取 Ra1=Ra2=68Q,则 Ri=68/2=34 kQ,电压增 益通过反馈电阻调节，采用电位器 RWa1 取 RWa 仁 50Q，那么银牌信号前置放 大器的

11、最大增益 Av 为Av= RWa1/ Ra3=12.82.1.5开关放大电路：电路实现如图所示，由驱动电路和 H互补对称输出电路组成。1）驱动电路：具体实现见图，将 PW 调制信号变换为互补对称的驱动信号 PW 和 PW3 将施 密特触发器 74HC1 并联运用以获得较大的驱动电流，为保证快速驱动，再用晶体 三极管对管组成的推挽结构构成输出管。 选用 HC 系列主要考虑到其转换速度较高 且可提供较大电流的特点，晶体三极管选用 8050 和 8550 对管。152） H 桥互补对称输出电路:16对于 MOSFE 的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。IRF540 和IRF9540 MO 对

12、管的参数基本满足上述要求，故采用之。互补 PW 开关驱动信号交 替开启 Q1g和 Q4g或 Q2g和 Q3g,再分别经过滤波器滤波后输出功率放大信号。 其中 R1和 R2 的作用是加大电路中的阻尼，防止导线的等效电感与栅极电容发生振荡， R1和 R2 的具体选择是通过实验比较的方法完成的，实验测试数据如下：RG 勺选择测试数据（R 仁 1K,R2=5.1K,测试点为栅极）RG（欧）栅极上升时间（us）栅极下降时间（us）100 1.21.439.20.50.410 0.20.15R腿取10欧。频率越咼RGS小， 电容越大 RGM、。R1 的最佳值为 5.6 欧姆左右，R2 勺最佳值为 3.5K

13、 左右。经测试电容 3= C3=1u C2=C4=0.47i 左右2.1.6低通滤波器：采用四阶 Butterworth 低通滤波器（如图）。对低通滤波器的要求是上限频率 大于20kHz，在通频带内特性平坦。我们利用 multisim 软件进行了仿真，设定的器件参数与图中相同时，仿真结 果如图所示：17通带内较为平坦， 保证了 20kHz 的上限频率； 100kHz、 150kHz 处分别下降 26dB、40dB，满足要求。2.2 信号变换电路2.3 功率测量及显示电路3 软件设计4 系统测试及改进方案4.1测试使用的仪器测试使用的仪器设备如表 4.1 所示表 4.1 测试使用的仪器设备序号名

14、称、型号、规格数量备注1SP1631A 型函数信号发生器1中瑞电子仪器有限公司2TDS1012 双踪示波器1泰克科技（中国）有限公司3FLUKE 15B 万用表1美国福禄克公司4联想 PC 计算机1P3.0GHZ 512M 内存114.2指标测试与测试结果1） 最大不失真功率及系统效率 负载：标称 8 欧喇叭最大不失真电压为 6.4Vp-p，此时负载电压 2.35V，电流 0.15A，功率 0.3525W电源电压 4.96V，电流 0.124A，功率 0.615W。效率为 0.3525/0.615 = 57.3 %。2） 3dB 通频带可达 300Hz-20kHz3） 低频噪声电压的测量 将输

15、入端与地短接，测得负载噪声约为4mVp-p4） 电压放大倍数满足题目要求18194.3测量结果分析及改进方案1）不加 R1 和 R2 时产生的波形失真较大，分析原因：主要原因在于功率开关管 的开关速度不能满足系统要求，由于栅极电容的存在，开关管的延时较为严重， 所用开关管的栅极电容为 1700pF,根据 Q=l*t=C* U 可以对电路的性能进行估 算。可以换用开关性能更好的 IRFD120 VMOSFE 开关管，其栅极电容为 360pF, 开关速度快。2）可以将电路中的两个 NE5532 换为 TLC4502 TLC4502 不仅可以具有较宽的频 带，而且可以在较低电压下满幅输出，可以提高系统的性能。5 结论本系统以高效率 D 类功率放大器为核心，利用 PWMS 号控制