d類(lèi)功率放大器

1、D類(lèi)功率放大器一.原理D類(lèi)功放也稱(chēng)為數(shù)字功放，與模擬功放的主要差別在于功放管的工作狀態(tài).傳統(tǒng)模擬放大器有甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)和丙類(lèi)等.一般的小信號(hào)放大都是甲類(lèi)功 放，即A類(lèi)，放大器件需要偏置，放大輸出的幅度不能超出偏置范圍，所以， 能量轉(zhuǎn)換效率很低，理論效率最高才25%.乙類(lèi)放大，也稱(chēng)B類(lèi)放大不需要偏置， 靠信號(hào)本身來(lái)導(dǎo)通放大管，理想效卒高達(dá)78 5%.但因?yàn)檫@樣的放大，小信號(hào)時(shí)失 真嚴(yán)重實(shí)際電路都要略加一點(diǎn)偏置， 形成甲乙類(lèi)功放，這么一來(lái)效率也就隨之下 降.雖然高頻發(fā)射電路中還有一種丙類(lèi)，即 C類(lèi)放大，效率可以更高，但電路復(fù) 雜、音質(zhì)更差，音頻放大中一般都不采用.這幾種模擬放大電路的共同特點(diǎn)是

2、晶 體管都工作在線(xiàn)性放大區(qū)域中，它按照輸入音頻信號(hào)的大小控制輸出的大小， 就 像用在電源與輸出間的一只可變電阻，控制輸出，但同時(shí)自身也在消耗電能.D類(lèi)功放采用脈寬調(diào)制(PWM)原理設(shè)計(jì)，其功放管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài).在理想 情況下，功放管導(dǎo)通時(shí)內(nèi)阻為零，兩端沒(méi)有電壓，因此沒(méi)有功率損耗；而截止時(shí)， 內(nèi)阻無(wú)窮大，電流又為零，也沒(méi)有功率損耗.它在實(shí)際的工作中的功率消耗主要由 兩部分構(gòu)成：轉(zhuǎn)換損耗和I2削耗.轉(zhuǎn)換損耗如圖1-1所示：PWM (開(kāi)美控制信號(hào))1 ：V"轉(zhuǎn)換損耗區(qū)當(dāng)開(kāi)關(guān)式放大器輸出在圖1-1轉(zhuǎn)換損耗的產(chǎn)生換，或斷開(kāi)和接通之間切換時(shí)通過(guò)線(xiàn)性區(qū)域而消耗功率接通和斷開(kāi)之間切 .在D類(lèi)功放中開(kāi)

3、關(guān)管如果采用的是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET),它的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻較 小一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1Q,所以I2R損耗相對(duì)來(lái)說(shuō)還是很小的.當(dāng)達(dá)到最大額定功率 時(shí)，D類(lèi)放大器的效率在80%到90%的范圍內(nèi).在典型的聽(tīng)音條件下，效率也可 達(dá)到65%到80%左右，約為AB類(lèi)放大器的兩倍以上.D類(lèi)放大器可分為數(shù)字D類(lèi)放大器與模擬D類(lèi)放大器兩類(lèi)，數(shù)字D類(lèi)放大 器一般用于數(shù)字音響領(lǐng)域，如 CD信號(hào)的功率放大.模寸K D類(lèi)放大器一般可分為 前置放大級(jí)、PWM調(diào)制、功率放大與低通濾波四個(gè)部分.其中PWM調(diào)制和功率 放大是D類(lèi)放大器的核心，PWM調(diào)制的一般方案有：(1)采用PWM調(diào)制芯片產(chǎn)生PWM信號(hào)，此類(lèi)芯片可

4、方便的產(chǎn)生PWM信 號(hào)，但一般對(duì)電源有要求，不利于整機(jī)單5v供電，并且很多情況下產(chǎn)生的PWM 型號(hào)為方波.(2)自己搭建PWM調(diào)制器，采用運(yùn)放進(jìn)行比較積分產(chǎn)生 PWM信號(hào).1 . PWM調(diào)制分析(1)從能量的角度來(lái)看，在每個(gè)時(shí)間內(nèi)，正弦波與所對(duì)應(yīng)的脈寬波所包含的能量等，這樣調(diào)制后得到的脈寬調(diào)制波作用在一個(gè)慣性系統(tǒng)（ RLC）后，其 效果與響應(yīng)的正弦波相同.（2）從頻域角度分析，三角波經(jīng)過(guò)調(diào)制得到典型的正弦脈寬調(diào)制波形：這種周期信號(hào)的頻譜對(duì)應(yīng)離散譜，對(duì)于信號(hào)頻率為力,載頻頻率為fi的調(diào)制信號(hào)，其頻譜主要分布在fo,nfi "三（1戶(hù)）譜線(xiàn)上.當(dāng)fiAf。時(shí)，調(diào)制信號(hào)通過(guò)低通濾 波器后，

5、載頻衰減極大，容易分離出語(yǔ)音信號(hào).2 D類(lèi)功放的交越失真理論上D類(lèi)功放在信號(hào)處理上不存在失真，因?yàn)橥ㄟ^(guò)PW眼術(shù)已將音頻信號(hào) 的幅度變化轉(zhuǎn)變成等幅脈沖的脈沖寬度變化，音頻信號(hào)的所有信息都包含在脈寬 變化上，即使波形有所畸變也可通過(guò)波形校正電路進(jìn)行校正，以保證還原后音頻信號(hào)不失真.但事實(shí)并非如此，從音頻信號(hào)的脈寬調(diào)制到功率音頻信號(hào)的輸出， 每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生失真，其中危害最大的當(dāng)數(shù)交越失真.（1） PWIMI制與交越失真在音頻信號(hào)的脈寬調(diào)制電路中，由于語(yǔ)音、音樂(lè)信號(hào)波形的不規(guī)則性、不對(duì) 稱(chēng)性，常需要將時(shí)間軸上方的波形和時(shí)間軸下方的波形分別進(jìn)行脈寬調(diào)制，雖然不需要考慮AB類(lèi)功放的偏置電壓，但需考慮

6、推挽管在交替導(dǎo)通時(shí)必須有一定的 時(shí)間問(wèn)隔，否則會(huì)出現(xiàn)兩只功率管的直通現(xiàn)象，所以這種電路本身也需要死區(qū).既然存在死區(qū)，就不可避免地會(huì)產(chǎn)生交越失真.（2） SPWMI制與交越失真將一個(gè)正弦信號(hào)直接與一個(gè)三角載波比較，可得到 SPWMF號(hào)，該信號(hào)通過(guò) 驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)全橋或半橋電路，在正負(fù)半周的交界處有較為明顯的空檔， 說(shuō)明 PWMB號(hào)的有些脈沖在經(jīng)開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間時(shí)丟失了 .一般來(lái)說(shuō)，功率管的額定功 率越大，最高開(kāi)關(guān)頻率就越低.音頻信號(hào)幅度很小時(shí)，調(diào)制后對(duì)應(yīng)的脈沖很窄， 功率管沒(méi)有足夠高的開(kāi)關(guān)頻率，則無(wú)法將其分辨出來(lái) .信號(hào)幅度越低，PWMt沖 就越窄，交越失真越嚴(yán)重.（3） 理方框圖一般的脈寬調(diào)制D

7、類(lèi)功放的原理框圖如圖1-2所示.圖1-3為其各點(diǎn)工作波 形示意圖，其中（a）為輸入信號(hào)；（b）為鋸齒波與輸入信號(hào)進(jìn)行比較的波形；（c）為調(diào)制器輸出的脈沖（脈寬波形）；（d）為功率放大器放大后的脈寬脈沖; （e）為低通濾波后的放大信號(hào).PWM調(diào)制一三角波+發(fā)生器VI驅(qū)動(dòng)*電路-開(kāi)關(guān)功率輸出底通&»圖1-2 D 類(lèi)功放原理方框圖圖1-3各點(diǎn)波形音頻信號(hào)輸入具體電路根據(jù)圖1-2采用模擬PWM調(diào)制的類(lèi)功放原理方框圖，所設(shè)計(jì)的具體電路如下（根據(jù)第五屆全國(guó)大學(xué)生電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)大賽的D題要求）：1 .三角波產(chǎn)生電路：三角波是對(duì)輸入音頻信號(hào)進(jìn)行抽樣的載波，因?yàn)橐纛l信號(hào)頻率是從20Hz到20kH

8、z,為了達(dá)到較好的還原效果，三角波頻率應(yīng)該遠(yuǎn)大于音頻.綜合考慮保真度 及整機(jī)復(fù)雜度，在這里三角波的頻率選取150k,利用雙運(yùn)放NE5532來(lái)完成三角 波產(chǎn)生電路.前一級(jí)運(yùn)放構(gòu)成施密特觸發(fā)器，輸出為高電平為VCC低電平為零的 方波.后一級(jí)運(yùn)放與C構(gòu)成積分器，當(dāng)前一級(jí)產(chǎn)生的方波占空比為 50%時(shí)，輸出 為上升下降時(shí)間相等的三角波.因?yàn)镻WM調(diào)制時(shí)，要求三角波與輸入信號(hào)的直 流電平一致，所以這里用電位器來(lái)調(diào)節(jié)其直流電平 .電路圖如圖2-1所示. 三角波的幅值為：Vcc 20Vout-c: 0.45V220三角波的頻率為:,r2f =159kHz 4R1R3c2 .前置放大電路：因?yàn)檩斎氲囊纛l信號(hào)幅度

9、比較小，所以要先前置放大再與三角波進(jìn)行比較.通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻的大小就可以實(shí)現(xiàn)增益 0到20倍可調(diào).因?yàn)檎麄€(gè)功率放大電路 都使用5V供電，而輸入信號(hào)有正有負(fù)，所以在輸入端要對(duì)信號(hào)加上2.5v的直流偏置.電路圖如圖2-2所示.圖2 2前置放大電路3 . PWM調(diào)制電路：利用高精度的比較器LM311對(duì)輸入信號(hào)和三角波進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)節(jié)同相 端的電位器可以調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的直流電平， 必須保證輸入信號(hào)與三角波的直流電 平相等，才能使最終經(jīng)濾波后得到的波形不失真.因?yàn)長(zhǎng)M311的輸出端是集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，所以必須加上拉電阻.電路圖如圖2-3所示.4 .驅(qū)動(dòng)電路：從PWM調(diào)制器出來(lái)的PWM波形的上升下降時(shí)間有點(diǎn)

10、大，所以要通過(guò)非門(mén) 來(lái)整形.如果直接將非門(mén)輸出的信號(hào)接到場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，電壓會(huì)被拉低，所以 要加三極管來(lái)驅(qū)動(dòng).通過(guò)非門(mén)并聯(lián)的方式來(lái)增加電流來(lái)驅(qū)動(dòng)三極管的基極，三極 管的射極輸出再來(lái)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管.電路圖如圖2-4所示.圖2 4驅(qū)動(dòng)電路5 . H橋開(kāi)關(guān)功放及低通濾波器：四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)一大電流進(jìn)入低阻抗感性負(fù)載， 場(chǎng)效應(yīng)管輪流成對(duì)導(dǎo)通， 當(dāng)一對(duì)導(dǎo)通時(shí)另一對(duì)就截止；為了避免兩對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)， 電路應(yīng)該保證一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通和另一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管截止不會(huì)重疊，這就要求從前面的驅(qū)動(dòng)電路出來(lái)的信號(hào)上升下降時(shí)間很短.受調(diào)制的方波總是使功率開(kāi)關(guān)管盡 可能快的改變狀態(tài)，縮短了場(chǎng)效應(yīng)管工作在線(xiàn)性工作區(qū)的時(shí)間， 使效率大大提高.濾波器的作用是濾除載波，使輸入的音頻信號(hào)完全通過(guò).所以設(shè)計(jì)濾波器要 使20到20kHz的通頻帶盡可能平坦，150k的載波要衰減盡可能大.在這里使用 的是四階巴特洛斯濾波器，它具有高頻衰減快的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)PSPICE軟件模擬后，三.總