D類音頻功率放大器的設(shè)計(jì)方案與測(cè)試

1、D類音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與測(cè)試本系統(tǒng)由咼效率功率放大器（D類音頻功率放大器）、信號(hào)變換儲(chǔ)號(hào)變 挾電路電路、外接測(cè)試儀表組成，系統(tǒng)框圖如圖 1所示。b OluFf; *! WYn.r-?.-.-擊去vn g n圖1系統(tǒng)方框圖1. D類功放的設(shè)計(jì)D類放大器的架構(gòu)有對(duì)稱與非對(duì)稱兩大類，在此討論的D類功放針對(duì)的是對(duì)功率、體積都非常敏感的便攜式應(yīng)用，因此采用全電橋 的對(duì)稱型放大器，以充分利用其單一電源、系統(tǒng)小型化的特點(diǎn)。D類功率放大器由PWM電路、開關(guān)功放電路及輸出濾波器組成，原理框 圖如圖2所示。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(hào)幅度對(duì)三角波進(jìn)行調(diào)制，得到占

2、空比隨音頻輸入信號(hào) 幅度變化的方波， 并以相反的相位驅(qū)動(dòng)上下橋臂的功率管，使功率 管一個(gè)導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)截止，再經(jīng)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號(hào)， 推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。采用全橋的 D類放大器可以實(shí)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(fù)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(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采 取2路輸出脈沖相位相反的方法。圖2 D類音頻功率放大器組成框圖D類功率放大器的工作過程是：當(dāng)輸入模擬音頻信號(hào)時(shí)，模擬音頻信號(hào)經(jīng)過PWM調(diào)制器變成與其幅度相對(duì)應(yīng)脈寬的高頻率 PWM脈 沖信號(hào)，控制開關(guān)單元的開/關(guān)，經(jīng)脈沖推動(dòng)器驅(qū)動(dòng)脈沖功率放大器 工作，然后經(jīng)過功率低通濾波

3、器帶動(dòng)揚(yáng)聲器工作。2.比較器比較器電路米用低功耗、單電源工作的雙路比較器芯片 LM311構(gòu)成。此處為提高系統(tǒng)效率，減少后級(jí) H橋中CMOS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(hào)的上半部和下半部進(jìn)行比 較，當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端的電位時(shí)，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(duì)應(yīng)的PWM波信號(hào)給后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路 進(jìn)行處理，雙路比較電路如圖3所示。RI1OUT2J4 JIPoiiriI OKJ3 .upEMIT OUT VCC1 in*COL nm2iir8iit subVCC-BulanccI vm!Jll'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

4、頻信號(hào)接比較器的負(fù) 向端、三角波信號(hào)接正向端；下半部比較則相反，這樣形成相互對(duì)應(yīng)， 在音頻信號(hào)的半部形成相應(yīng) PWM波時(shí)，另半部為低電平，可保征后 級(jí)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(hào)為調(diào)制波，頻率為 70kHz的三角波為載波，兩路信號(hào)均加上2. 5V的直流偏置電壓，通過比較器進(jìn)行比較，得到幅值相同， 占空比隨音頻幅度變化的脈沖信號(hào)。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(gè)電阻均取10kQ。由于三角 波Vp p= 2V,所以要求音頻信號(hào)的 Vp p不能大于2V,否則會(huì)使

5、功放產(chǎn)生失真。由于比較器芯片LM311的輸出級(jí)是集電極開路結(jié)構(gòu)， 輸出端須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采用1kQ的電阻。3.驅(qū)動(dòng)電路以及互補(bǔ)對(duì)稱輸出和低通濾波電路如圖4所示。將PWM言號(hào)整形變換成互補(bǔ)對(duì)稱的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 用CD40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)運(yùn)用以獲得較大的電流輸出，送給由 晶體三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器驅(qū)動(dòng)的輸出管，保證了快速驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路晶體三極管選用 9012和9014對(duì)管。H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路對(duì) VMOSFET勺要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān) 速度快，開啟電壓小。因輸出功率稍大于1W屬小功率輸出，可選用功率相對(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管，IRF9630和 IRFZ4

6、8N VMOS寸管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實(shí)際電路 如圖4所示。本設(shè)計(jì)采用4階Butterworth低通濾波器。U4 II*:NGOtrTWXHHK'UAI»J7nHwvg d i angon. com圖4 H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出及低通濾波電路對(duì)濾波器的要求是上限頻率20 kHz, 在通頻帶內(nèi)特性基本平 坦?；パa(bǔ)PWM開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開啟 Q6和Q8或Q12和Q10,分別 經(jīng)兩個(gè)4階巴特沃茲濾波器濾波后推動(dòng)喇叭工作。4.電路測(cè)試4.1調(diào)試步驟1）通頻帶的測(cè)量：在放大器電壓放大倍數(shù)為 10,實(shí)測(cè)3dB通帶的上、下邊界頻率值。通頻帶測(cè)試時(shí)應(yīng)去掉測(cè)試用的RC濾波器2）最大不失真

7、輸出功率：放大倍數(shù)為10,輸入1kHz正弦信號(hào), 用毫伏表測(cè)量放大器輸出電壓有效值，計(jì)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(yīng)小于50%4）效率測(cè)量：輸入1kHz正弦波，放大倍數(shù)為10時(shí)，使輸出功 率達(dá)到500mWV測(cè)量功率放大器的電源電流I （不包括測(cè)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。4.2數(shù)據(jù)分析根據(jù)以上的調(diào)試步驟測(cè)量，測(cè)得數(shù)據(jù)如表 1、表2、表3、圖5、 圖6所示。圖5展示了當(dāng)輸入信號(hào)的幅值不變，僅改變其頻率，動(dòng)態(tài)放大 誤差效果圖。由圖可知，對(duì)于頻帶以外的信

8、號(hào)，系統(tǒng)的放大倍數(shù)與輸 出幅值有明顯降低。對(duì)于當(dāng)信號(hào)頻率的升高導(dǎo)致EMI （電磁干擾）增強(qiáng)，可以利用低通濾波器降低干擾。測(cè)試點(diǎn)電孵接地媒反向疑測(cè)試值4.9KV0V2.484 V2.494 V2,494V理論們5VQV2.5V2JV2.5V表2脈寬調(diào)制（動(dòng)態(tài)）測(cè)試點(diǎn)輸入頻率輸山波形輸由城率輸山鮎度測(cè)試值100HZ不規(guī)則的矩形方波6536KHZ5.O4V表3效率測(cè)試瀬試點(diǎn)UjliPiUu|uPun測(cè)試值SV0.5A2.5W3.79V039AiLSfiKW 沖W. d Ri f59.1 %.g 011. COI圖5誤差放大（動(dòng)態(tài)）10-Io ' I戶； 1 .lOOJk500Hz100<

9、;%w. d i圖6最大不失真功率測(cè)試數(shù)據(jù)功率放大器采用5V電源，前置放大器的放大倍數(shù)調(diào)到最大， 適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅值，改變其頻率，測(cè)量其最大不失真輸出功 率及效率見圖6。對(duì)于頻帶以外的信號(hào)，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(diào)制信號(hào)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(diǎn)，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(cè)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=140mW，則這部分的損耗對(duì)總的效率影