D類功率放大器

1、 D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相比較獲得PWM脈寬調(diào)制信號，控制由MOSFET管構(gòu)成的對稱H橋結(jié)構(gòu)進行功率放大，再通過Butterworth濾波器低通濾波后輸出，系統(tǒng)還能夠進行功率的測量于顯示。經(jīng)測試，功率放大器效率達到66%，系統(tǒng)總體比較理想的實現(xiàn)了設(shè)計指標的要求。關(guān)鍵詞：D類功率放大器、PWM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31.1高效率功率放大器類型的選擇31.1.1高效率功率放大器類型的選擇31.1.2高速開關(guān)電路31)輸出方式32)驅(qū)動方式41.1.3濾波器的選擇52單元電路設(shè)計52

2、.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:82.1.4音頻信號前置放大器：82.1.5開關(guān)放大電路：91)驅(qū)動電路：92)H橋互補對稱輸出電路：92.1.6低通濾波器：102.2信號變換電路102.3功率測量及顯示電路103軟件設(shè)計104系統(tǒng)測試及改進方案115結(jié)論12參考文獻12附錄1 主要元器件清單12附錄2 程序清單12附錄3 印制版圖12附錄4 系統(tǒng)使用說明131 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，原理方框圖如圖下面分別對各部分電路的設(shè)計方案進行論證與比較。1.1 高效率功率放大器1.1.1 高效率

3、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行放大，最后經(jīng)過LC低通濾波器后輸出音頻信號。輸出功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，效率高，理論上可以達到100%，實際電路也可以達到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，電路輸出信號的峰-峰值不可能超過電源電壓Vcc，輸出功率難以提高。方案二：選用H橋的輸出方式（如圖所示）。此方式浮動輸出載波

4、峰-峰值可達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)動方式方案一：通過三極管構(gòu)成反向器電路，互補的兩路信號分別驅(qū)動兩個推挽結(jié)構(gòu)，輸出兩路驅(qū)動信號PW1和PW2，送往開關(guān)功率管進行開關(guān)控制。使用推挽結(jié)構(gòu)目的是在短時間內(nèi)提供較大電流。實際中，對該電路進行了測試，發(fā)現(xiàn)兩路PWM信號波形不互補對稱，偏差較大，而未經(jīng)反向的波形良好，反向后的高電平時間變窄約1.5us（為反相器上跳變響應(yīng)延時），下跳變時間正常。不能滿足控制需要。方案二：利用反向器集成芯片74HC14實現(xiàn)PWM信號的反向，輸出兩路互補的驅(qū)動信號PW1和PW2，送往開關(guān)功率管進行開關(guān)控制。為提供較大驅(qū)動電

5、流，將反向器并聯(lián)使用，實際測試中測得信號的高低電平轉(zhuǎn)換的延時時間約為500ns,且兩路信號互補對稱。方案三：利用反向器集成芯片74HC14實現(xiàn)PWM信號的反向，互補的兩路信號分別驅(qū)動兩個推挽結(jié)構(gòu)，輸出兩路驅(qū)動信號PW1和PW2，送往開關(guān)功率管進行開關(guān)控制。為提供較大驅(qū)動電流，將反向器并聯(lián)使用。方案三綜合了前兩個方案的優(yōu)點，實際測試中效果良好，信號的高低電平轉(zhuǎn)換的延時時間約為200ns,且兩路信號互補對稱。比較后，選擇方案三。1.1.3 濾波器的選擇方案一：利用兩個相同的二階Butterworth低通濾波器，缺陷是負載上的高頻分量的電壓沒有得到充分衰減。方案二：利用四個相同的二階Butterwo

6、rth低通濾波器，在保證通頻帶的前提下使負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2.1 D類功率放大器電路2.1.1 D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)生電路和比較器兩部分組成，其工作過程可由圖表示：即通過比較器實現(xiàn)三角波對正弦波的脈寬調(diào)制，獲得脈寬與輸入信號幅度成正比的調(diào)制信號。2.1.2 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，又要考慮電路實現(xiàn)，選擇

7、150kHz的載波，使用四階Butterworth LC 濾波器，輸出端對載頻的衰減大于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)的計算：我們把NE5532的5腳和LM311的3腳的電位通過Rt1和Rt2分壓設(shè)定為2.5V，同時設(shè)定輸出的對稱三角波幅度為1.5V。若選定Rt5為68k，并忽略比較器高電平時在Rt6上的壓降，則Rt4的求解過程如下： 得取Rt4為43 k工作頻率的確定主要從兩個方面考慮，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)制信號中的基波分量，而調(diào)制信號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

8、時延，較高頻率的三角波也是較難做到的。綜合考慮以上兩點，我們選定工作頻率f=150kHz,并設(shè)定RWt+Rt3=15 k,則電容C3計算過程如下：對電容的恒流充電或放電電流為 則電容兩端電壓值為其中T1為半周期，T1=T/2=1/2f。的最大值為3V，則代入可得 取CF=220pF，Rt3=6.8 k, RWt采用200 k可調(diào)電位器。便于調(diào)節(jié)發(fā)生三角波的頻率為150kHz。2.1.3 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Rp2,Rp3和Rp4分壓提供2.5V的靜態(tài)電位，取Rp1=Rp2=68k，Rp3=Rp4=68k。由于三角波

9、幅度為1.5V，所以音頻信號的幅度不能大于1.5V，否則會使功放產(chǎn)生失真正弦波電壓及頻率三角波電壓及頻率經(jīng)LM311比較器后波形經(jīng)LM311比較器后波形2.1.4 音頻信號前置放大器：NE5532頻帶較寬、轉(zhuǎn)換速率（擺率）較快，適合用于對音頻信號的放大。輸入電阻要求大于10 k，故可取Ra1=Ra2=68 k,則Ri=68/2=34 k,電壓增益通過反饋電阻調(diào)節(jié)，采用電位器RWa1,取RWa1=50 k，那么銀牌信號前置放大器的最大增益Av為 Av= RWa1/ Ra3=12.82.1.5 開關(guān)放大電路：電路實現(xiàn)如圖所示，由驅(qū)動電路和H橋互補對稱輸出電路組成。1) 驅(qū)動電路：具體實現(xiàn)見圖，將P

10、WM調(diào)制信號變換為互補對稱的驅(qū)動信號PW1和PW3，將施密特觸發(fā)器74HC14并聯(lián)運用以獲得較大的驅(qū)動電流，為保證快速驅(qū)動，再用晶體三極管對管組成的推挽結(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，晶體三極管選用8050和8550對管。2) H橋互補對稱輸出電路：對于MOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。IRF540和IRF9540 MOS對管的參數(shù)基本滿足上述要求，故采用之。互補PWM開關(guān)驅(qū)動信號交替開啟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。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)

11、生振蕩，R1和R2的具體選擇是通過實驗比較的方法完成的，實驗測試數(shù)據(jù)如下：RG的選擇測試數(shù)據(jù)（R11K,R2=5.1K，測試點為柵極）RG（歐） 柵極上升時間（us） 柵極下降時間（us）100 1.2 1.439.2 0.5 0.410 0.2 0.15RG選取10歐。頻率越高RG越小，電容越大RG越小。 R1的最佳值為5.6歐姆左右，R2的最佳值為3.5K左右。經(jīng)測試電容C1=C3=1u，C2=C4=0.47u左右2.1.6 低通濾波器：采用四階Butterworth低通濾波器（如圖）。對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軟件進行了仿真，

12、設(shè)定的器件參數(shù)與圖中相同時，仿真結(jié)果如圖所示：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 信號變換電路2.3 功率測量及顯示電路3 軟件設(shè)計4 系統(tǒng)測試及改進方案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)備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1SP1631A型函數(shù)信號發(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 計算機1P3.0GHZ、 512M內(nèi)存114.2 指標測試與測試結(jié)果1） 最大不失真功率及系

13、統(tǒng)效率負載：標稱8歐喇叭最大不失真電壓為6.4Vp-p，此時負載電壓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0.3525/0.61557.3。2） 3dB通頻帶可達300Hz-20kHz3） 低頻噪聲電壓的測量 將輸入端與地短接，測得負載噪聲約為4mVp-p4） 電壓放大倍數(shù)滿足題目要求4.3 測量結(jié)果分析及改進方案1） 不加R1和R2時產(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)管的延時較為嚴重，所用開關(guān)管的柵極電容為1700pF，根據(jù)Q=I*t=C*U可以對電路的性能進行估算?？梢該Q用開關(guān)性能更好的IRFD120 VMOSFET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PWM信號控制MOSFET構(gòu)成的H橋電路進