D类放大器.docx
《D类放大器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《D类放大器.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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RL=8Ω的条件下，放大通道应满足：
∙额定输出功率：
P0=1W；
∙带宽：
BW≧5KHz;
∙在上述P0,BW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78.5%，丙类效率高于78.5%，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1.3W所能提供输出功率1W，后者功耗3.1W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：
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
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ButterworthLC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：
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：
响应时间
200ns
电源电流
5.1mA
工作温度范围
0°Cto+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:
7.5mV
电路图如下，为提供2．5V的静态电位，取
＝
，
＝
，4个电阻均取
。
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VPP=8V,此时送给比较器音频信号的VPP值应为2V，则功率放大的增益约为4（实际比较器电路原理图功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于4）。
因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。
前放采用LM741，组成增益可调的同相放大器。
LM741资料：
参数
符号
测试条件
典型值
单位
输入电容
CI
-
1.4
pF
失调电压调整范围
-
-
±15
mV
输出电阻
RO
-
75
Ω
输出短路电流
-
-
25
mA
瞬态响应上升时间
tr
单位增益,VI=20mV,RL=2kΩ,CL≤100pF
0.3
μs
过冲电压
O.S.
5.0
%
压摆率（闭环）
SR
RL≥2kΩ
0.5
V/μs
带宽增益
GBWP
RL=12kΩ
0.9
MHz
LM741管脚图
选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻
的要求。
同时，采用满幅运放可在降低电源电压时仍能正常放大，取
＝Vcc／2＝2．5V，要求输入电阻
大于10kΩ，故取
＝
＝5lkΩ，则
，反馈电阻采用电位器
，取
＝10kΩ，反相端电阻
取2．4kΩ，则前置放大器的最大增益
为
调整
使其增益约为8，则整个功放的电压增益从0~32可调。
考虑到前置放大器电路考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值
，取
，则要求输入的音频最大幅度
。
超过此幅度则输出会产生削波失真。
3）驱动电路
电路如图9所示。
将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用CD40106施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，再加上8050、8550互补对称式射极跟随器驱动的输出管作推挽功率输出，再此选择开关型三极管是为了减小其损耗功率，驱动后方H桥对称输出电路，同时保证了前后级之间的良好隔离，以便快速驱动。
实验原理图如下
CD40106资料
引脚功能：
24681012 数据输出端
13591113 数据输入端
14电源正
7接地
CD40106由六个施密特触发器电路组成。
每个电路均为在两输入端具有施密特触发器功能的反相器。
触发器在信号的上升和下降沿的不同点开、关。
上升电压
和下降电压
之差定义为滞后电压。
三极管8050资料：
类型:
开关型;
极性:
NPN;
材料:
硅;
最大集电极电流（A）:
0.5A;
直流电增益:
10-60;
功耗:
625mW;
最大集电极-发射极电压（VCEO）:
25;
特征频率:
150MHz
三极管8550资料：
类型:
开关型;
极性:
PNP;
材料:
硅;
最大集电极电流（A）:
0.5A;
直流电增益:
10to60;
功耗:
625mW;
最大集电极发射电压（VCEO）:
25;频率:
150MHz
4）H桥互补对称输出及低通滤波电路
对MOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。
输出功率稍大于1W，属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRFDl20和IRFD9120MOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。
实际电路如下图。
互补PWM开关驱动信号交替开启VT5和VT8或VT6和VT7，经Butterworth低通滤波电路滤波后再经过信号变换电路推动负载工作。
IRFD9120IRFD120资料：
IRFD120100V1.3A,1W25/20ns,Ron=2.4V
IRFD9120100V1A1W100/100ns,Ron=0.6V
由于低通滤波器对载频的衰减，对滤波器的要求是上限频率＞20kHz，在通频带内特性基本平坦。
设计时采用了电子工作台软件进行仿真，从而得到一组较佳的参数：
＝22uH，
＝47uH，
＝0．68uF，
＝1uF。
在20kHz处下降2．5dB，可保证20kHz的上限频率，且通频带内曲线基本平坦；在100kHz、150kHz处分别下降48dB、62dB，达到要求。
（5）信号变换电路
配合低通滤波电路，要求增益为1，将双端变为单端输出，运放选用宽带运放NE5532，由于对这部分电路的电源电压不加限制，可不必采用价格较贵的满幅运放。
由于功放的带负载能力很强，故对变换电路的输入阻抗要求不高，选Rl=R2=R3=R4=20kΩ。
其增益为Av=R3/R1=20/20=1，其上限频率远超过20kHz的指标要求。
三、实验过程
（一）前置放大电路：
电路介绍：
前置放大电路由基本运放构成，实为同相比例运算电路。
仿真电路图：
（二）三角波发生电路：
三角波发生电路由自激震荡原理组成，用基本运放搭成。
产生矩形波后通过积分电路输出三角波。
仿真电路图：
（三）比较器电路：
电路介绍：
此部分电路用LM311比较器，将三角波与放大后的正弦进行比较，然后进行采样，最终得到SPWM信号。
仿真电路图：
（四）驱动电路：
电路介绍：
此部分电路由40106施密特触发器和三极管构成，前者用于SPWM整形，然后通过三路信号是三极管基极电流足够大，实现反向并放大信号。
仿真电路图：
（五）H桥对称输出及低通滤波电路：
由于输入信号为反向互补信号，故采用H桥对称输出，然后通过低通滤波电路，滤出低频部分。
仿真电路图：
（六）信号变换电路：
电路介绍：
此部分电路由基本运放构成，将输入的低频信号进行信号变换，构成一个完整的正弦波进行输出。
仿真电路图：
四、电路调试
为了方便检查错误，我们将电路分为五个部分（三角波发生器、前置放大器、比较器、前置驱动、信号变换电路）分开调试。
每个部分单独调试保证了一个部分出错调试时，不会影响其他部分。
同时可以方便检查错误。
（一）前置放大电路
输入参数为：
100mV10kHz，输出参数为：
最大不失真输出5V10kHz
（二）三角波发生电路：
输出参数：
4.92V153.53KHz
调试过程中出现了如下波形，后发现是阻值不合适产生了削顶失真，调整阻值后问题得以解决。
（三）比较器电路：
输出参数：
SPWM信号4.92V14KHz
其中左上和右下是与三角波输出进行对比的波形图
在调试过程中出现了上图波形，这是由于电路间的干扰过大，经在电源与地之间并些电容后得以解决。
（四）驱动电路：
输出参数：
互补SPWM4.9V7.4799KHz
（五）信号变换电路：
输出参数：
正弦波8.4V10KHz
（六）总装图：
功率及效率的计算:
输入V0=5.01电流I0=0.241A
输出V1=4.2V电阻R1=8Ω
效率
四、扩展部分
（一）增加带宽
由于LM741的带宽只有0.9MHz，若想提升带宽需从这里下手。
从老师所给的芯片选择范围里面，我们发现NE5532已经是带宽比较宽的芯片，在改进部分我们可以用它替换LM741的前置放大电路部分，实现整体带宽的增加。
五、心得体会
由于我们组之前的数字部分课设完成的很顺利，没考虑很多，随便选了D类功率放大器，却不知道这是极难的一道，不过既然已经选择了，我们也要继续做下去，越难的题越能锻炼自己的能力，我们也可以从中获取更过的知识。
在通信电路与广播原理这门课上，老师有讲过D类功放的知识，虽然只是皮毛，不过有了一定的基础还是让我们入手更加迅速。
在查询了很多资料，询问老师后，我们确定了原理图。
领到元器件后，我们开始连接前置放大与三角波发生器，但结果是什么也没出。
第一次的连接失败确实让我们很灰心，调整状态后，我们找出模电书，安照书上的原理图一点点计算，一点点连接，经过反复的检查后，终于将第一环节搞定。
此时同为D类放大题目的其他小组也遇到了各种各样的问题，我们几个小组联合起来共同研究，效果也是非常显著的，大家互相帮助也一起解决了不少问题。
比如最开始我们都不明白信号转换电路的存在意义是什么，后来经过查阅多方资料后得知其是与低通滤波器为一体的，输出端为对地电压，而不是在前面的H桥及低通滤波电路里的压差。
最终我们在第12周的时候，完满做完了D类放大。
历经5周，这期间我们有高兴也有失落，但最终出成果的那刻真的是满怀欣喜的。
模电实验不同于数电实验，它对于电路的要求极高，不只是简单的高低电平那么简单，它需要每一个细节的展现，在处理模块间相互干扰的问题上，我们着实学习了不少知识，比如说布线要尽量贴着板子，电源输出端要加些电容滤除小信号干扰。
同时我们也对模电有了更深刻的理解，对于很多电路参数的计算都离不开模电知识，这其中多以运放部分知识为主。
当然有比较才有收获，在实验过程中我们还遇到了其他班级的大神，看到大神的布线与计算，我们顿时自愧不如，回到宿舍后狂补模电知识。
这一切的一切，不是任何一个老师能教会我们的，而是我们一次次尝试与付出所习得的宝贵的经验与知识。
总之我的收获确实很大！
六．附录
元件清单：
NE5532两片LM311一片LM741一片
8050两个8550两个CD40106两片
74LS08一片二极管1N41482个
22uH电感2个47uH电感2个
IRFD9102两个IRFD120两个
电容若干
参考资料
[1]清华大学电子学教研组编，华成英、童诗白主编；《模拟电子技术基础》（第四版），北京，高等教育出版社，2006年。
[2]清华大学出版社《电子设计从零开始》，2005年
升级会员 