11D類功率放大器

1、D類功率放大器原理D類功放也稱為數(shù)字功放，與模擬功放的主要差別在丁功放管的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)模擬放大器有甲類、乙類、甲乙類和丙類等。一般的小信號放大都是甲類功放，即A類，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%。乙類放大，也稱B類放大不需要偏置，靠信號本身來導通放大管，理想效卒高達785%。但因為這樣的放大，小信號時失真嚴重實際電路都要略加一點偏置，形成甲乙類功放，這么一來效率也就隨之下降。雖然高頻發(fā)射電路中還有一種丙類，即C類放大，效率可以更高，但電路復雜、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是晶體管都工作在線性放大

2、區(qū)域中，它按照輸入音頻信號的大小控制輸出的大小，就像申在電源與輸出問的一只可變電阻，控制輸出，但同時自身也在消耗電能。D類功放采用脈寬調(diào)制（PWM）原理設(shè)計，其功放管工作在開關(guān)狀態(tài)。在理想情況下，功放管導通時內(nèi)阻為零，兩端沒有電壓，因此沒有功率損耗；而截止時，內(nèi)阻無窮大，電流乂為零，也沒有功率損耗。它在實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1乍赧耗。轉(zhuǎn)換損耗如圖1-1所示：PWM（開美控制信號）轉(zhuǎn)換損耗區(qū)圖1-1轉(zhuǎn)換損耗的產(chǎn)生當開關(guān)式放大器輸出在接通和斷開之間切換，或斷開和接通之間切換時通過線性區(qū)域而消耗功率。在D類功放中開關(guān)管如果采用的是金屆氧化物半導體場效應(yīng)晶體管（MOSFE管

3、），它的開關(guān)導通電阻較小一般遠遠小丁1Q,所以I2R損耗相對來說還是很小的。當達到最大額定功率時，D類放大器的效率在80%到90%的范圍內(nèi)。在典型的聽音條件下，效率也可達到65%到80%左右，約為AB類放大器的兩倍以上。D類放大器可分為數(shù)字D類放大器與模擬D類放大器兩類，數(shù)字D類放大器一般用丁數(shù)字音響領(lǐng)域，如CD信號的功率放大。模擬D類放大器一般可分為前置放大級、PWM調(diào)制、功率放大與低通濾波四個部分。其中PWM調(diào)制和功率放大是D類放大器的核心，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，此類芯片可方便的產(chǎn)生PWM信號，但一般對電源有要求，不利丁整機單5v供電，并且很多情況

4、下產(chǎn)生的PWM型號為方波。（2）自己搭建PWM調(diào)制器，采用運放進行比較積分產(chǎn)生PWM信號。1.PWM調(diào)制分析從能量的角度來看，在每個At時間內(nèi)，正弦波與所對應(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)制波作用在一個慣性系統(tǒng)(RLC)后，其效果與響應(yīng)的正弦波相同。(1) 從頻域角度分析，三角波經(jīng)過調(diào)制得到典型的正弦脈寬調(diào)制波形：.I.f611C|-|ir-i2£這種周期信號的頻譜對應(yīng)離散譜，對丁信號頻率為f0，載頻頻率為f1的調(diào)制信號，其頻譜主要分布在fo，nfi(n£(1,*)譜線上。當fifo時，調(diào)制信號通過低通濾波器后，載頻衰減極大，容易分離出語音信號。2D類功放的

5、交越失真理論上D類功放在信號處理上不存在失真，因為通過PWMfc術(shù)已將音頻信號的幅度變化轉(zhuǎn)變成等幅脈沖的脈沖寬度變化，音頻信號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波形校正電路進行校正，以保證還原后音頻信號不失真。但事實并非如此，從音頻信號的脈寬調(diào)制到功率音頻信號的輸出，每一個環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生失真，其中危害最大的當數(shù)交越失真。PWIMB制與交越失真在音頻信號的脈寬調(diào)制電路中，由丁語音、音樂信號波形的不規(guī)則性、不對稱性，常需要將時間軸上方的波形和時間軸下方的波形分別進行脈寬調(diào)制，雖然不需要考慮AB類功放的偏置電壓，但需考慮推挽管在交替導通時必須有一定的時間間隔，否則會出現(xiàn)兩只功率管

6、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)，就不可避免地會產(chǎn)生交越失真。SPWM制與交越失真將一個正弦信號直接與一個三角載波比較,可得到SPWMF號，該信號通過驅(qū)動電路去驅(qū)動全橋或半橋電路，在正負半周的交界處有較為明顯的空檔，說明PWMT號的有些脈沖在經(jīng)開關(guān)的死區(qū)時間時丟失了。一般來說，功率管的額定功率越大，最高開關(guān)頻率就越低。音頻信號幅度很小時，調(diào)制后對應(yīng)的脈沖很窄，功率管沒有足夠高的開關(guān)頻率，則無法將其分辨出來。信號幅度越低，PWMt沖就越窄，交越失真越嚴重。原理方框圖一般的脈寬調(diào)制D類功放的原理框圖如圖1-2所示。圖1-3為其各點工作波形示意圖，其中（a）為輸入信號；（b）為鋸

7、齒波與輸入信號進行比較的波形；（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互三角跖發(fā)生器PWM調(diào)制,VIVO音頻信號輸入比較器*V圖1-2D類功放原理方框圖圖1-3各點波形二.具體電路根據(jù)圖1-2采用模擬PWM調(diào)制的類功放原理方框圖，所設(shè)計的具體電路如下（根據(jù)第五屆全國大學生電子線路設(shè)計大賽的D題要求）：1.三角波產(chǎn)生電路：三角波是對輸入音頻信號進行抽樣的載波，因為音頻信號頻率是從20Hz至U20kHz,為了達到較好的還原效果，三角波頻率應(yīng)該遠大丁音頻。綜合考慮保真度及整機復雜度，在這里三角波的頻率選取150k,利用雙運放NE5532來完

8、成三角波產(chǎn)生電路。前一級運放構(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。后一級運放與C構(gòu)成積分器，當前一級產(chǎn)生的方波占空比為50%時,輸出為上升下降時間相等的三角波。因為PWM調(diào)制時，要求三角波與輸入信號的直流電平一致，所以這里用電位器來調(diào)節(jié)其直流電平。電路圖如圖2-1所示。三角波的幅值為：Vcc20Vout=cc=0.45V220三角波的頻率為:f2=159kHz4RR3C2.前置放大電路：因為輸入的音頻信號幅度比較小，所以要先前置放大再與三角波進行比較。通過調(diào)節(jié)反饋電阻的大小就可以實現(xiàn)增益0到20倍可調(diào)。因為整個功率放大電路都使用5v供電，而輸入信號有正有負，所以在輸入端要對信

9、號加上2.5v的直流偏置。電路圖如圖2-2所示。圖22前置放大電路3.PWM調(diào)制電路：利用高精度的比較器LM311對輸入信號和三角波進行比較，通過調(diào)節(jié)同相端的電位器可以調(diào)節(jié)輸入信號的直流電平,必須保證輸入信號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。因為LM311的輸出端是集電極開路結(jié)構(gòu)，所以必須加上拉電阻。電路圖如圖2-3所示。3. 驅(qū)動電路：從PWM調(diào)制器出來的PWM波形的上升下降時間有點大，所以要通過非門來整形。如果直接將非門輸出的信號接到場效應(yīng)管的柵極，電壓會被拉低，所以要加三極管來驅(qū)動。通過非門并聯(lián)的方式來增加電流來驅(qū)動三極管的基極，三極管的射極輸出再來驅(qū)動場效應(yīng)管

10、。電路圖如圖2-4所示。圖24驅(qū)動電路4. H橋開關(guān)功放及低通濾波器：四個場效應(yīng)管驅(qū)動一大電流進入低阻抗感性負載，場效應(yīng)管輪流成對導通,當一對導通時另一對就截止；為了避免兩對場效應(yīng)管同時處丁導通或截止狀態(tài)，電路應(yīng)該保證一對場效應(yīng)管導通和另一對場效應(yīng)管截止不會重疊，這就要求從前面的驅(qū)動電路出來的信號上升下降時間很短。受調(diào)制的方波總是使功率開關(guān)管盡可能快的改變狀態(tài)，縮短了場效應(yīng)管工作在線性工作區(qū)的時間，使效率大大提高。濾波器的作用是濾除載波，使輸入的音頻信號完全通過。所以設(shè)計濾波器要使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，通過PSPICE軟件模擬后,三.總結(jié)近年