D類功率放大器電路設計方案與調試

1、D類功率放大器電路設計與調試D類放大器（數(shù)字音頻功率）是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成PWIM脈沖寬度調制）或PDM（脈沖密度調制）的脈 沖信號，然后用PW啲脈沖信號去控制大功率開關器件通/斷音頻功 率放大器。D類放大或數(shù)字式放大器，是利用極高頻率的轉換開關電 路來放大音頻信號的，經(jīng)常被用于咼效率的音頻放大器中。 在咼保真 音響設備和更高檔的家庭影院設備中，往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的 音頻功率，這時，低失真、高效率的音頻放大器就顯得頗為重要，本 文從實用角度出發(fā)，設計了一款低失真、高效率的音頻放大器，與傳 統(tǒng)放大器相比，本放大器在效率、體積以及功率消耗方面具有明顯的 優(yōu)勢，它產(chǎn)生

2、的熱量小且為傳統(tǒng)放大器的一半，其效率在78%以上，而傳統(tǒng)的放大器效率僅在50%左右。1系統(tǒng)設計1.1總體設計分析本系統(tǒng)由高效率功率放大器（D類音頻功率放大器）、信號變換撰電路功濟放大器電路、外接測試儀表組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示0. 01 uF倍號變頹血L I外接<i_ VE艸丁不'ngnrj. com圖1系統(tǒng)方框圖1. 2 D類功放的設計D類放大器的架構有對稱與非對稱兩大類，在此討論的 D類功放 針對的是對功率、體積都非常敏感的便攜式應用，因此采用全電橋的 對稱型放大器，以充分利用其單一電源、系統(tǒng)小型化的特點。 D類功 率放大器由PWMt路、開關功放電路及輸出濾波器組成， 原理框

3、圖如 圖2所示。信刖端入*4放大三角沒發(fā)生電路-7>驅動-1一 Hiff.1低通T檢出電賂電路www. d i a ng on. com圖2 D類音頻功率放大器組成框圖采用了由比較器和三角波發(fā)生器組成的固定頻率的PWMfe路，用輸入的音頻信號幅度對三角波進行調制，得到占空比隨音頻輸入信號 幅度變化的方波，并以相反的相位驅動上下橋臂的功率管， 使功率管 一個導通時另一個截止，再經(jīng)輸出濾波器將方波轉變?yōu)橐纛l信號， 推 動揚聲器發(fā)聲。采用全橋的D類放大器可以實現(xiàn)平衡輸出，易于改善 放大器的輸出濾波特性，并可減少干擾。全橋電路負載上的電壓峰峰 值接近電源電壓的2倍，可采用單電源供電。實現(xiàn)時，通常

4、采取 2路 輸出脈沖相位相反的方法。2硬件電路設計2.1原理分析D類功率放大器的工作過程是：當輸入模擬音頻信號時，模擬音 頻信號經(jīng)過PW調制器變成與其幅度相對應脈寬的高頻率 PW脈沖信 號，控制開關單元的開/關，經(jīng)脈沖推動器驅動脈沖功率放大器工作， 然后經(jīng)過功率低通濾波器帶動揚聲器工作。2. 2比較器比較器電路采用低功耗、單電源工作的雙路比較器芯片 LM311構 成。此處為提高系統(tǒng)效率，減少后級 H橋中CMO管不必要的開合,用兩路偏置不同的三角波分別與音頻信號的上半部和下半部進行比較，當正端上的電位高于負端的電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。這樣產(chǎn)生兩路相互對應的PWM波信號給后級

5、驅動電路進行處理，雙路比較電路如圖3所示。圖3比較器電路此處值得注意的是將上半部比較處理為音頻信號接比較器的負 向端、三角波信號接正向端；下半部比較則相反，這樣形成相互對應， 在音頻信號的半部形成相應 PWM波時，另半部為低電平，可保征后級 H橋中的CMOS管沒有不必要的開合，以減少系統(tǒng)功率損耗。電路以 音頻信號為調制波，頻率為70kHz的三角波為載波，兩路信號均加上 2. 5V的直流偏置電壓，通過比較器進行比較，得到幅值相同，占空 比隨音頻幅度變化的脈沖信號。LM311芯片的供電電壓為5V單電源，為給V+ = V提供2. 5V 的靜態(tài)電位，取 R10= R11, R8= R9, 4個電阻均取

6、10kQ。由于三角 波Vp p= 2V,所以要求音頻信號的Vp p不能大于2V,否則會使功 放產(chǎn)生失真。由于比較器芯片LM311的輸出級是集電極開路結構，輸 出端須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采用 1kQ的電阻。2. 3驅動電路以及互補對稱輸出和低通濾波電路如圖4所示。將PWMI號整形變換成互補對稱的輸出驅動信號， 用CD40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)運用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補對稱式射極跟隨器驅動的輸出管，保證了快速驅動。驅動電路晶體三極管選用 9012和9014對管。H橋互補對稱輸出電路對 VMOSFE的要求是導通電阻小，開關速 度快，開啟電壓小。因輸出功率稍大于1W屬小

7、功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅動的對管，IRF9630和IRFZ48NVMC對管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實際電路如 圖4所示。本設計采用4階Butterworth低通濾波器。圖4 H橋互補對稱輸出及低通濾波電路對濾波器的要求是上限頻率20kHz,在通頻帶內特性基本平坦?；パaPWMF關驅動信號交替開啟 Q6和Q8或Q12和Q10,分別經(jīng)兩個4階巴特沃茲濾波器濾波后推動喇叭工作。3電路測試3. 1調試步驟1）通頻帶的測量：在放大器電壓放大倍數(shù)為 10,實測3dB通帶的上、下邊界頻率值。通頻帶測試時應去掉測試用的RC濾波器2）最大不失真輸出功率：放大倍數(shù)為10,輸入

8、1kHz正弦信號, 用毫伏表測量放大器輸出電壓有效值，計算最大輸出功率 Po- max3）輸入阻抗：在輸入回路中串入 10kQ電阻，放大器輸入端電壓下 降應小于50%4）效率測量：輸入1kHz正弦波，放大倍數(shù)為10時，使輸出功 率達到500mWV測量功率放大器的電源電流I （不包括測試用變換電 路和顯示部分的電流）。要求電源電壓 V的范圍為5X（ 1 + 1% V。 效率為：500mW%V。3. 2數(shù)據(jù)分析根據(jù)以上的調試步驟測量，測得數(shù)據(jù)如表 1、表2、表3、圖5、 圖6所示U!試點電源瑞接地竭反向S；輸出端測試值4.QKV0V2,484V2.494 V2,494V理論值5V0V2.5V2JV

9、2.5V表2脈寬調制（動態(tài)）測試點輸入頻率輸出波形檢由頻率輸山無度測試值100HZ不規(guī)則的矩形方波6536KHZ5.O4V表3效率測試10CH/I000H/-輛人幅度i ： ' J"壯出第戔La 1 V >L ''v巧【瘡心wv,'a dWSl iii. com圖5誤差放大（動態(tài)）測試點UjJiPiUuIoPun渭試但義¥0.5A2.5W3.7QVO.39ALJfiSW kww. dim59.1 % g0Ik C0110毎測云IWlIz500Hz毗&%叭di；】理韓com圖6最大不失真功率測試數(shù)據(jù)圖5展示了當輸入信號的幅值不變，

10、僅改變其頻率，動態(tài)放大誤 差效果圖。由圖可知，對于頻帶以外的信號，系統(tǒng)的放大倍數(shù)與輸出 幅值有明顯降低。對于當信號頻率的升高導致 EMI（電磁干擾）增強, 可以利用低通濾波器降低干擾。功率放大器采用5V電源，前置放大器的放大倍數(shù)調到最大，適 當?shù)恼{節(jié)輸入信號的幅值，改變其頻率，測量其最大不失真輸出功率 及效率見圖6。對于頻帶以外的信號，功率放大器的最大不失真功率 有明顯的降低。若要提高效率，可以降低載波頻率，但輸出電壓的諧 波成分及失真增加；若要使輸出電壓非線性失真減少，則需提高PWM調制信號的頻率。盡管高頻干擾是D類功率放大器現(xiàn)今存在的主要問 題，但其高效節(jié)能的優(yōu)點，以越來越多的受到了人們的重視。從上面的數(shù)據(jù)可知，功放的效率和最大不失真輸出功率與理論值 還有一些差距，其原因有以下幾方面：1）在功放電路存在靜態(tài)損耗。電路在靜態(tài)下是具有一定的功耗， 測試其5V電源的靜態(tài)總電流約為28mA靜態(tài)功耗為：P損耗=5X28 =