D类放大器要点.pdf

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1、北京工业大学电子设计课程报告 - 1 - 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10100mV ，在负载电阻 RL=8的条件下，放大通 道应满足： 额定输出功率： P0=1W ； 带宽： BW5KHz; 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

2、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。 2D类功率放大器实现电路的选择 北京工业大学电子设计课程报告 - 2 - 1)脉宽调制器 (PWM) 利用三角波发生

3、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 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

4、方案二 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

5、 ，经比较可知应选 用IRFD9120 与IRFD120 。 故采用方案二 5）滤波器的选择 北京工业大学电子设计课程报告 - 3 - 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 1D 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

6、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。 北京工业大学电子设计课程报告 - 4 - 2D类功放各部分电路分析与计算 1) 脉宽调制器 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

7、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 (

8、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 北京工业大学电子设计课程报告 - 5 - 2 31 Z om344 R CRR U CUR T 经计算的电路参数如图 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 12 R 15 R， 13 R 14 R， 4个电阻均取 10k。 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120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

9、失真功率为1W 时，其 8 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 响应时间200ns 电源电流5.1mA 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 :7.5mV 北京工业大学电子设计课程报告 - 6 - 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

10、- 1.4 pF 失调电压调整范围- - 15 mV 输出电阻RO - 75 输出短路电流- - 25 mA 瞬态响应上升时间tr 单位增益 , VI = 20mV, RL = 2k, CL 100pF 0.3 s 过冲电压O.S. 5.0 % 压摆率（闭环）SR RL 2k 0.5 V/ s 带宽增益GBWP RL = 12k 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kR10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 U Vcc225V，要求输入电 阻6R大于10k，故取 1 R 2 R5lk ，则 kR5.25 2 51 1 ，反馈电阻

11、采用电位 器 4 R，取 4 R10k，反相端电阻3R取24k，则前置放大器的最大增益VA为 调整 3 R使其增益约为 8，则整个功放的电压增益从0 32可调。 北京工业大学电子设计课程报告 - 7 - 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 5VUom，取2VUom，则要求输入的音频最大幅度 250mV 8 2U U om im VA 。 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

12、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： 2 4 6 8 10 12 数据输出端 1 3 5 9 11 13 数据输入端 14 电源正 7 接地 北京工业大学电子设计课程报告 - 8 - 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 VT 和下降电压 -VT 之 差定义为滞后电压。 三极管8050资料： 类型 : 开关型 ; 极性 :NPN; 材

13、料 : 硅; 最大集电极电流(A):0.5 A; 直流电增益 :10- 60; 功耗 :625 mW; 最大集电极 - 发射极电压（VCEO ）:25; 特征频率 :150 MHz 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):0.5 A; 直流电增益 :10 to 60; 功耗 :625 mW; 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

14、驱动的对管， IRFDl20和IRFD9120 MOS 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。 IRFD9120 IRFD120 资料： IRFD120 100V 1.3A ,1W 25/20ns , Ron=2.4V IRFD9120 100V 1A 1W 100/100ns, 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

15、较佳的参数： 1 L 22uH ， 2 L47uH ， 1 C068uF， 2 C1uF。 在20kHz处下降 25dB，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。 北京工业大学电子设计课程报告 - 9 - (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=20k 。其增益为 Av=R3/R1=20

16、/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： 北京工业大学电子设计课程报告 - 10 - （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： 北京工业大学电子设计课程报告 - 11 - （四）驱动电路： 电路介绍：此部分电路由40106 施密特触发器和

17、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： 北京工业大学电子设计课程报告 - 12 - （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

18、错调试时，不会影响其他部分。同时可以方 便检查错误。 北京工业大学电子设计课程报告 - 13 - （一） 前置放大电路 输入参数为： 100mV 10kHz ，输出参数为：最大不失真输出5V 10kHz （二）三角波发生电路： 输出参数： 4.92V 153.53KHz 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。 北京工业大学电子设计课程报告 - 14 - （三）比较器电路： 输出参数： SPWM信号 4.92V 14KHz 其中左上和右下是与三角波输出进行对比的波形图 北京工业大学电子设计课程报告 - 15 - 在调试过程中出现了上图波形，这是由

19、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SPWM 4.9V 7.4799KHz 北京工业大学电子设计课程报告 - 16 - （五）信号变换电路： 输出参数： 正弦波 8.4V 10KHz （六）总装图： 北京工业大学电子设计课程报告 - 17 - 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=8 WIVP2074.1 000 WRP V 506.1/ 1 2 2 1 2 1 效率%015.87%100 0 1 P P 四、扩展部分 （一）增加带宽 由于LM741 的带宽只有 0.9MH

20、z ，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，

21、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

22、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。 北京工业大学电子设计课程报告 - 18 - 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 1N4148 2 个 22u H电感 2 个 47u H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