D類功率放大器電路設(shè)計(jì)方案與調(diào)試

1、D 類功率放大器電路設(shè)計(jì)與調(diào)試D 類放大器（數(shù)字音頻功率）是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成 PWM（脈沖寬度調(diào)制）或 PDM（脈沖密度調(diào)制）的脈沖信號，然后用 PWM的脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通 / 斷音頻功率放大器。 D類放大或數(shù)字式放大器，是利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號的， 經(jīng)常被用于高效率的音頻放大器中。 在高保真音響設(shè)備和更高檔的家庭影院設(shè)備中， 往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率，這時(shí)，低失真、高效率的音頻放大器就顯得頗為重要，本文從實(shí)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款低失真、高效率的音頻放大器，與傳統(tǒng)放大器相比， 本放大器在效率、 體積以及功率消耗方面具有明顯的優(yōu)

2、勢，它產(chǎn)生的熱量小且為傳統(tǒng)放大器的一半，其效率在 78%以上，而傳統(tǒng)的放大器效率僅在 50%左右。1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)11 總體設(shè)計(jì)分析本系統(tǒng)由高效率功率放大器（D 類音頻功率放大器）、信號變換電路、外接測試儀表組成，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。圖 1 系統(tǒng)方框圖12 D 類功放的設(shè)計(jì)D類放大器的架構(gòu)有對稱與非對稱兩大類，在此討論的 D類功放針對的是對功率、 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。圖 2 D 類音頻功率放大器組成框圖采用了由比較器和三角波發(fā)生器

3、組成的固定頻率的 PWM電路，用輸入的音頻信號幅度對三角波進(jìn)行調(diào)制， 得到占空比隨音頻輸入信號幅度變化的方波， 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， 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。2 硬件電路設(shè)計(jì)21 原理分析D類功率放大器的工作過程是：當(dāng)輸入模擬音頻信號時(shí)，模擬音頻信號經(jīng)過 PWM調(diào)制器變成與其幅度相對應(yīng)脈寬的高頻率 PWM脈沖信號

4、，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)過功率低通濾波器帶動(dòng)揚(yáng)聲器工作。22 比較器比較器電路采用低功耗、 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)生兩路相互對應(yīng)的 PWM波信號給后級驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行處理，雙路比較電路如圖 3 所示。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頻信號接比較器的負(fù)向端、三角波信號接正向端； 下半部比較則相反， 這樣形成相互對應(yīng)，在

5、音頻信號的半部形成相應(yīng) PWM波時(shí)，另半部為低電平， 可保征后級 H 橋中的 CMOS管沒有不必要的開合，以減少系統(tǒng)功率損耗。電路以音頻信號為調(diào)制波， 頻率為 70kHz 的三角波為載波， 兩路信號均加上25V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。LM311芯片的供電電壓為5V 單電源，為給V V提供 25V的靜態(tài)電位，取 R10R11，R8R9，4 個(gè)電阻均取 10k。由于三角波 Vpp2V，所以要求音頻信號的 Vpp 不能大于 2V，否則會(huì)使功放產(chǎn)生失真。由于比較器芯片 LM311的輸出級是集電極開路結(jié)構(gòu)， 輸出端須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采用

6、 1k 的電阻。23 驅(qū)動(dòng)電路以及互補(bǔ)對稱輸出和低通濾波電路如圖 4 所示。將 PWM信號整形變換成互補(bǔ)對稱的輸出驅(qū)動(dòng)信號，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 對管。H橋互補(bǔ)對稱輸出電路對VMOSFET的要求是導(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，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對管，IRF9630 和IRFZ48NVMOS對管的參數(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

7、階 Butterworth低通濾波器。圖 4 H 橋互補(bǔ)對稱輸出及低通濾波電路對濾波器的要求是上限頻率20kHz，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。3 電路測試31 調(diào)試步驟1）通頻帶的測量：在放大器電壓放大倍數(shù)為10，實(shí)測 3dB 通帶的上、下邊界頻率值。通頻帶測試時(shí)應(yīng)去掉測試用的RC濾波器。2）最大不失真輸出功率：放大倍數(shù)為10，輸入 1kHz 正弦信號，用毫伏表測量放大器輸出電壓有效值，計(jì)算最大輸出功率Pomax。3）輸入阻抗：在輸入回路中串入10k 電阻，放大器輸入端電壓下降應(yīng)小于

8、 50%。4）效率測量：輸入 1kHz 正弦波，放大倍數(shù)為 10 時(shí)，使輸出功率達(dá)到 500mW，測量功率放大器的電源電流 I （不包括測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 5（ 11%）V。效率為： 500mW%VI 。32 數(shù)據(jù)分析根據(jù)以上的調(diào)試步驟測量，測得數(shù)據(jù)如表1、表 2、表 3、圖 5、圖 6所示。圖 5 誤差放大（動(dòng)態(tài)）圖 6 最大不失真功率測試數(shù)據(jù)圖 5 展示了當(dāng)輸入信號的幅值不變， 僅改變其頻率， 動(dòng)態(tài)放大誤差效果圖。由圖可知，對于頻帶以外的信號，系統(tǒng)的放大倍數(shù)與輸出幅值有明顯降低。 對于當(dāng)信號頻率的升高導(dǎo)致 EMI（電磁干擾）增強(qiáng)，可以利用低通濾波

9、器降低干擾。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)輸入信號的幅值， 改變其頻率，測量其最大不失真輸出功率及效率見圖 6。對于頻帶以外的信號，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，測試其 5V 電源的靜態(tài)總電流約為 28mA，靜態(tài)功耗為： P損耗 528 140mW，則這部分的損耗對總