D類功率放大器(DOC)

1、1D類功率放大器摘要：本系統(tǒng)以高效率 D 類功率放大器為核心，通過將三角波與放大的音頻信號(hào)相比較 獲得PWN 脈寬調(diào)制信號(hào)，控制由 MOSFE 管構(gòu)成的對(duì)稱 H 橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率放大， 再通過Butterworth 濾波器低通濾波后輸出，系統(tǒng)還能夠進(jìn)行功率的測量于顯 示。經(jīng)測試，功率放大器效率達(dá)到 66%，系統(tǒng)總體比較理想的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)的 要求。關(guān)鍵詞：D 類功率放大器、PWN 脈寬調(diào)制、H 橋電路，Butterworth 低通濾波器目錄1方案論證與選擇 _ 2_1.1高效率功率放大器類型的選擇 _21.1.1高效率功率放大器類型的選擇 _21.1.2高速開關(guān)電路 _21)輸出方式 _22)驅(qū)

2、動(dòng)方式 _31.1.3濾波器的選擇 _42單元電路設(shè)計(jì) _ 52.1D類功率放大器電路 _52.1.1D類放大器的工作原理： _52.1.2三角波發(fā)生電路 _62.1.3比較器: _ 72.1.4音頻信號(hào)前置放大器： _102.1.5開關(guān)放大電路： _101)驅(qū)動(dòng)電路： _102)H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路： _102.1.6低通濾波器： _112.2信號(hào)變換電路 _122.3功率測量及顯示電路 _123軟件設(shè)計(jì)1_24系統(tǒng)測試及改進(jìn)方案1_25結(jié)論1_4_參考文獻(xiàn)_ 1_4_附錄 1 主要元器件清單 _錯(cuò)_ 誤！未定義書簽。附錄 2 程序清單 _錯(cuò)_ 誤！未定義書簽。2附錄 3 印制版圖 _錯(cuò)_

3、誤！未定義書簽。附錄 4 系統(tǒng)使用說明_ 錯(cuò)誤！未定義書簽1 方案論證與選擇根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)由功率放大部分和兩部分組成，原理方框圖如圖I- -1:測試用RC誘波黯!下面分別對(duì)各部分電路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證與比較。1.1 高效率功率放大器1.1.1高效率功率放大器類型的選擇方案一：采用 A 類、B 類、AB 類功率放大器。這三類功率放大器的功率均達(dá) 不到題目要求。方案二：采用 D 類功率放大器。D 類放大器利用脈寬調(diào)制技術(shù)，把模擬音頻 信號(hào)的幅度調(diào)制為一系列矩形脈沖的寬度，再通過功率輸出管進(jìn)行放大，最后經(jīng) 過 LC 低通濾波器后輸出音頻信號(hào)。輸出功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，效率 高，理論上可

4、以達(dá)到 100%實(shí)際電路也可以達(dá)到 80%-90%比較后，選擇 D 類功率放大器。1.1.2高速開關(guān)電路1）輸出方式方案一：采用推挽單端輸出方式，如圖所示，電路輸出信號(hào)的峰-峰值不可能超過電源電壓Vcc,輸出功率難344方案二： 選用 H 橋的輸出方式 （如圖所示） 。 此方式浮動(dòng)輸出載波峰-峰值可 達(dá) 2Vcc，充分利用了電源電壓，有效提高了輸出效率，故選用這種電路形式。2）驅(qū)動(dòng)方式方案一：通過三極管構(gòu)成反向器電路，互補(bǔ)的兩路信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)推挽結(jié) 構(gòu)，輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào) PW1 和 PW2 送往開關(guān)功率管進(jìn)行開關(guān)控制。使用推挽結(jié) 構(gòu)目的是在短時(shí)間內(nèi)提供較大電流。實(shí)際中，對(duì)該電路進(jìn)行了測試，發(fā)

5、現(xiàn)兩路 PWM&號(hào)波形不互補(bǔ)對(duì)稱，偏差較大，而未經(jīng)反向的波形良好，反向后的高電平 時(shí)間變窄約 1.5us（為反相器上跳變響應(yīng)延時(shí)），下跳變時(shí)間正常。不能滿足控 制需要。5方案二：利用反向器集成芯片 74HC14 實(shí)現(xiàn)PWM 信號(hào)的反向，輸出兩路互補(bǔ) 的驅(qū)動(dòng)信號(hào) PW1 和 PW2 送往開關(guān)功率管進(jìn)行開關(guān)控制。為提供較大驅(qū)動(dòng)電流， 將反向器并聯(lián)使用，實(shí)際測試中測得信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換的延時(shí)時(shí)間約為500ns,且兩路信號(hào)互補(bǔ)對(duì)稱。方案三：利用反向器集成芯片 74HC14 實(shí)現(xiàn) PWM&號(hào)的反向，互補(bǔ)的兩路信 號(hào)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)推挽結(jié)構(gòu)，輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào) PW1 和 PW2 送往開關(guān)功率管

6、進(jìn)行 開關(guān)控制。為提供較大驅(qū)動(dòng)電流，將反向器并聯(lián)使用。方案三綜合了前兩個(gè)方案 的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際測試中效果良好，信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換的延時(shí)時(shí)間約為200ns,且兩路信號(hào)互補(bǔ)對(duì)稱。比較后，選擇方案三。1.1.3濾波器的選擇6方案一：利用兩個(gè)相同的二階 Butterworth 低通濾波器，缺陷是負(fù)載上的高7頻分量的電壓沒有得到充分衰減。方案二：利用四個(gè)相同的二階 Butterworth 低通濾波器，在保證通頻帶的前 提下使負(fù)載上的高頻分量的電壓獲得較為充分的衰減。比較后，選擇方案二。2 單元電路設(shè)計(jì)2.1D 類功率放大器電路2.1.1D 類放大器的工作原理：原理框圖如下，脈寬調(diào)制器由三角波發(fā)生電路和比較器

7、兩部分組成，其工作過程可由圖表 示：即通過比較器實(shí)現(xiàn)三角波對(duì)正弦波的脈寬調(diào)制， 獲得脈寬與輸入信號(hào)幅度成 正比的調(diào)制信82.1.2三角波發(fā)生電路如圖所示為三角波發(fā)生電路，該電路采用NE5532 和高速精密電壓比較器LM311 來實(shí)現(xiàn)（電路如圖所示）。NE5532 具有較寬的頻帶和轉(zhuǎn)換速率（擺率），能 夠保證產(chǎn)生線性良好的三角波。載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路實(shí)現(xiàn)，選擇 150kHz 的載 波，使用四階 Butterworth LC 濾波器，輸出端對(duì)載頻的衰減大于 60Db,能夠滿 足題目的要求，所以我們選擇載波頻率為 150kHz。電路參數(shù)的計(jì)算： 我們把 NE5532 的 5

8、腳和 LM311 的 3 腳的電位通過 Rt1 和 Rt2分壓設(shè)定為 2.5V，同時(shí)設(shè)定輸出的對(duì)稱三角波幅度為 1.5V。若選定 Rt5 為 68kQ，并忽略比較器高電平時(shí)在 Rt6 上的壓降，貝 U Rt4 的求解過程如下：5 - 2 .51.568R14Rt468 1.52.540.8k19取 Rt4 為 43 kQ工作頻率的確定主要從兩個(gè)方面考慮， 一方面，作為載波的三角波的工作頻 率越高越有利于提高調(diào)制信號(hào)中的基波分量， 而調(diào)制信號(hào)中基波分量的多少將直 接影響著功率放大器的效率的高低；另一方面，考慮到器件電平轉(zhuǎn)換的時(shí)延，較 高頻率的三角波也是較難做到的。綜合考慮以上兩點(diǎn)，我們選定工作頻

9、率f=150kHz,并設(shè)定 RWt+Rt3=15 kQ,則電容 C3 計(jì)算過程如下：對(duì)電容的恒流充電或放電電流為則電容兩端電壓值為取 CF=220pF，Rt3=6.8 kQ, RWt 采用 200 kQ可調(diào)電位器。便于調(diào)節(jié)發(fā)生三角 波的頻率為 150kHz。5 -2.52.5RWt Rt3RWtRtT10Idt二2.5C4(RWtRt3)T1其中 T1 為半周期,T1=T/2=1/2f。VCF的最大值為 3V,則代入可得CF2.5(RWtRt3)*6f-185.2pF102.1.3 比較器：選用精密、高速比較器 LM311,電路如圖所示，在單電源供電的情況下，由 兩兩相等的電阻 Rp1 和 R

10、p2,Rp3 和 Rp4 分壓提供 2.5V 的靜態(tài)電位， 取 Rp 仁 Rp2=68灼，Rp3=Rp4=68。由于三角波幅度為 1.5V，所以音頻信號(hào)的幅 度不能大于 1.5V，否則會(huì)使功放產(chǎn)生失真正弦波電壓及頻率1112三角波電壓及頻率13經(jīng) LM311 比較器后波形經(jīng) LM311 比較器后波形142.1.4音頻信號(hào)前置放大器：NE5532 頻帶較寬、轉(zhuǎn)換速率（擺率）較快，適合用于對(duì)音頻信號(hào)的放大。輸入電阻要求大于 10 kQ,故可取 Ra1=Ra2=68Q,則 Ri=68/2=34 kQ,電壓增 益通過反饋電阻調(diào)節(jié)，采用電位器 RWa1 取 RWa 仁 50Q，那么銀牌信號(hào)前置放 大器的

11、最大增益 Av 為Av= RWa1/ Ra3=12.82.1.5開關(guān)放大電路：電路實(shí)現(xiàn)如圖所示，由驅(qū)動(dòng)電路和 H互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路組成。1）驅(qū)動(dòng)電路：具體實(shí)現(xiàn)見圖，將 PW 調(diào)制信號(hào)變換為互補(bǔ)對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)信號(hào) PW 和 PW3 將施 密特觸發(fā)器 74HC1 并聯(lián)運(yùn)用以獲得較大的驅(qū)動(dòng)電流，為保證快速驅(qū)動(dòng)，再用晶體 三極管對(duì)管組成的推挽結(jié)構(gòu)構(gòu)成輸出管。 選用 HC 系列主要考慮到其轉(zhuǎn)換速度較高 且可提供較大電流的特點(diǎn)，晶體三極管選用 8050 和 8550 對(duì)管。152） H 橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路:16對(duì)于 MOSFE 的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。IRF540 和IRF9540 MO 對(duì)

12、管的參數(shù)基本滿足上述要求，故采用之?；パa(bǔ) PW 開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交 替開啟 Q1g和 Q4g或 Q2g和 Q3g,再分別經(jīng)過濾波器濾波后輸出功率放大信號(hào)。 其中 R1和 R2 的作用是加大電路中的阻尼，防止導(dǎo)線的等效電感與柵極電容發(fā)生振蕩， R1和 R2 的具體選擇是通過實(shí)驗(yàn)比較的方法完成的，實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如下：RG 勺選擇測試數(shù)據(jù)（R 仁 1K,R2=5.1K,測試點(diǎn)為柵極）RG（歐）柵極上升時(shí)間（us）柵極下降時(shí)間（us）100 1.21.439.20.50.410 0.20.15R腿取10歐。頻率越咼RGS小， 電容越大 RGM、。R1 的最佳值為 5.6 歐姆左右，R2 勺最佳值為 3.5K

13、 左右。經(jīng)測試電容 3= C3=1u C2=C4=0.47i 左右2.1.6低通濾波器：采用四階 Butterworth 低通濾波器（如圖）。對(duì)低通濾波器的要求是上限頻率 大于20kHz，在通頻帶內(nèi)特性平坦。我們利用 multisim 軟件進(jìn)行了仿真，設(shè)定的器件參數(shù)與圖中相同時(shí)，仿真結(jié) 果如圖所示：17通帶內(nèi)較為平坦， 保證了 20kHz 的上限頻率； 100kHz、 150kHz 處分別下降 26dB、40dB，滿足要求。2.2 信號(hào)變換電路2.3 功率測量及顯示電路3 軟件設(shè)計(jì)4 系統(tǒng)測試及改進(jìn)方案4.1測試使用的儀器測試使用的儀器設(shè)備如表 4.1 所示表 4.1 測試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名

14、稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1SP1631A 型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1中瑞電子儀器有限公司2TDS1012 雙蹤示波器1泰克科技（中國）有限公司3FLUKE 15B 萬用表1美國福祿克公司4聯(lián)想 PC 計(jì)算機(jī)1P3.0GHZ 512M 內(nèi)存114.2指標(biāo)測試與測試結(jié)果1） 最大不失真功率及系統(tǒng)效率 負(fù)載：標(biāo)稱 8 歐喇叭最大不失真電壓為 6.4Vp-p，此時(shí)負(fù)載電壓 2.35V，電流 0.15A，功率 0.3525W電源電壓 4.96V，電流 0.124A，功率 0.615W。效率為 0.3525/0.615 = 57.3 %。2） 3dB 通頻帶可達(dá) 300Hz-20kHz3） 低頻噪聲電壓的測量 將輸

15、入端與地短接，測得負(fù)載噪聲約為4mVp-p4） 電壓放大倍數(shù)滿足題目要求18194.3測量結(jié)果分析及改進(jìn)方案1）不加 R1 和 R2 時(shí)產(chǎn)生的波形失真較大，分析原因：主要原因在于功率開關(guān)管 的開關(guān)速度不能滿足系統(tǒng)要求，由于柵極電容的存在，開關(guān)管的延時(shí)較為嚴(yán)重， 所用開關(guān)管的柵極電容為 1700pF,根據(jù) Q=l*t=C* U 可以對(duì)電路的性能進(jìn)行估 算?？梢該Q用開關(guān)性能更好的 IRFD120 VMOSFE 開關(guān)管，其柵極電容為 360pF, 開關(guān)速度快。2）可以將電路中的兩個(gè) NE5532 換為 TLC4502 TLC4502 不僅可以具有較寬的頻 帶，而且可以在較低電壓下滿幅輸出，可以提高系統(tǒng)的性能。5 結(jié)論本系統(tǒng)以高效率 D 類功率放大器為核心，利用 PWMS 號(hào)控制