D类放大器

模拟类：D类功率放大器

一、课程设计要求

（一）设计任务

设计、制作一个对微弱信号有放大能力的D类低频功率放大器。

（二）基本要求

在输入音频信号电压幅度为10~100mV，在负载电阻R L=8Ω的条件下，放大通道应满足：

额定输出功率：P0=1W；

带宽：B W≧5KHz;

在上述P0 ,B W范围内，非线性失真≤%7；

在P0下的效率大于80%；

（三）扩展要求

1、单电源供电；

2、增加输出功率；

3、增加带宽；

4、提高效率；

二、设计方案

1．功率放大器的种类

我们知道，功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类、丁类（即D类）和戊类等多种工作方式。为了提高功率和效率，一般的方法是降低三极管的静态工作点及由甲类到乙类，甚至到丙类。甲类、乙类、甲乙类的工作效率均低于%，丙类效率高于%，但丙类放大器只适用于高频窄带放大，而作为低频功放的D类放大器理想效率最高能到100%。

D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率，实际电路效率也可达到80％一95％。

2．D类功率放大器实现电路的选择

1)脉宽调制器(PWM)

利用三角波发生器及比较器分别采用通用集成电路，便于各部分分别实现，方便调试，且能与后面电路使用同一电源输出，实现题目所述要求。

2)音频信号放大电路

将音频信号放大后再与三角波经比较器比较后实现PWM调制。

3）驱动电路

将施密特触发器并联使用，以便获得更大电流驱动后续电路。

4）高速开关电路

①输出方式：方案一：选用推挽单端输出方式(电路如图2所示)。电路输出载波峰峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率满足不了题目要求。

方案二：选用H桥型输出方式(电路如图3所示)。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰峰值可达10V，有效地提高了输出功率,故选用此输出电路形式。

故选用方案二

②开关管的选择：为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低功耗。

方案一：选用晶体三极管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使得整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大。

方案二：选用MOSFET场效应管。MOS管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用MOS管，其中老师给出的又有IRFD9120与IRFD120，IRF9540与IRF540，由于本题所要求输出功率为1W，经比较可知前者的功耗所能提供输出功率1W，后者功耗所能提供输出功率140W，经比较可知应选用IRFD9120与IRFD120。

故采用方案二

5）滤波器的选择

经过Butterworth低通滤波电路滤波后再经信号变换输出。

6）信号变换电路

由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为1。

功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动减法电路实现。

这里的信号变换电路与低通滤波电路实为一体。下图分别为一阶和二阶低通滤波电路。

3.主要电路工作原理分析与计算

1．D类放大器的工作原理

一般的脉宽调制D类功放的原理方框框如下图所示。

下图为工作波形示意图，其中(a)为输入信号；图(b)为三角波与输入信号进行比较的波形；图(c)为PWM输出的脉冲；图(d)为功率放大器放大后的调宽脉冲；图(e)为低通滤波并做过信号变换后的放大信号。

2．D 类功放各部分电路分析与计算

1)脉宽调制器

①三角波产生电路。该电路我们首先利用同相输入滞回比较器产生方波信号，再通过反向积分运算电路对信号进行积分产生三角波。

考虑到节约芯片，我们用一片NE5532实现，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。

NE5532资料：

抽样定理指出，由样值序列无失真恢复原信号的条件是fs ≥2fh （fs 为抽样频率，fh 为信号最高频率），载波频率最好为音频信号的十几倍，而音频信号多为20Hz-20kHz 。为了满足抽样定理，并且考虑电路的实现，实验时选用10kHz 的音频信号输入，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 ，能满足题目的要求，所以设计选用载波频率为150kHz 。

电路参数的计算：Z 2

1

om U R R U

参数

数值 通道数

2 推荐电源电压 (V) ±5-15 增益带宽(MHz) 10 功率带宽(KHz) 140 转换速率(V/us) 9 输入失调电压(mV) 5 (Max) 输入噪声电压(nV/Hz)

5 共模抑制比(dB)

70 (Min)

静态电流(mA) 8

23

1Z om 344R C

R R U CU R T ==

经计算的电路参数如图

②比较器。可用芯片为LF393及LM311，这里选用LM311是由于其比较速度更快

LM311资料：

电路图如下，为提供2．5V 的静态电位，取12R ＝15R ，13R ＝14R ，4个电阻均取Ω10k 。

2)前置放大器

电路如图8所示。设置前置放大器，可使整个功放的增益从1~20连续可调，而且也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为1W 时，其8Ω上的电压V PP =8V,此时送给比较器音频信号的V PP 值应为2V ，则功率放大的增益

响应时间 200ns 电源电流

工作温度范围 0°C to +70°C 比较器数目: 1

电源电压

最大:36V 电源电压 最小:5V 输入偏移电压

最大: