D类功率放大.docx

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D类功率放大

D类音频功率放大器

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电子工程专业

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D类音频功率放大器的设计与制作

摘要：

D类音频功率放大器的实质是使功率放大器工作在开关状态，在这种电路中可以极大提高功放的效率。

系统主要是由前置放大电路，三角波发生器，比较器，H桥驱动以及低通滤波器等模块组成。

其中前置放大器实现对信号的前置放大以

及音量调节，三角波和比较器实现对音频信号的脉宽调制，经过整形后由H桥

驱动负载。

实现了对音频信号的高效率放大。

系统最大不失真输出功率大于0.6W，可实现电压放大倍数1～30倍连续可调。

关键词：

D类功率放大器脉宽调制三角波

2

..4...4..5.51A...5

2B.5

3AB.5

4D.5

5

.6

...6

.6

PWM...6

1.6

2.7（）H..8（.9..9

...10

3

一、设计任务

设计并制作一个D类音频功率放大器电路，对MP3、电脑等设备输出的音频信号进行功率放大，并通过喇叭播放放大后的音频信号，音频放大倍数可以根据需要进行调节。

功率放大器的工作电源为5V，通频带宽功率放大器工作电源5V；通频带宽300~10000Hz；最大不失真功率大于1W；工作效率大于85%；前置放大倍数1~20倍连续可调；输出负载8Ω/2W。

二、对设计任务的分析

D类功率放大器，就是将音频信号转成脉宽变化的形式，再由脉冲放大器放大输出，然后通过低通滤波电路还原成音频信号。

由于脉冲放大器工作在开关状态，电路本身的损耗只限于三极管（或场效应管）导通时饱和压降引起的损耗和元件开关损耗，适当选择元件，可以使得总损耗较小，因而电路工作效率较高。

理论上效率可以达到100%。

这类方式的放大电路实际是工作在非线性状态。

为了实现线性信号的传送，

采用了PWM技术，即音频信号幅度的大小体现在脉冲信号的宽度中。

脉冲宽度大

代表音频信号幅度大；反之，脉冲宽度小则代表音频信号幅度低。

调制过程示意图（MATLAB绘图）

这类电路的损耗主要是开关器件的开关损耗。

每一个开关管在每一个周期中都要开关动作一次，损耗量的大小受器件性能制约。

D类功率放大器的输出以全桥驱动为宜，这样在有限的工作电源电压下，可以获得最大的输出功率。

在输出电路中，还需要连接LC低通滤波电路，以滤除高频脉冲信号，保留原来的音频信号输出，防止开关脉冲影响声音质量。

低通滤波电路的阶数越高，滤波效果越好，一般都采用二阶以上的滤波电路。

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三、系统方案

（一）方案比较

传统的功率放大器主要有A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类），除此之外，还有工作在开关状态下的D类（丁类）功放供我们选择。

1、A类放大

A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器。

其晶体管总是工作在放大区，并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性放大区域。

它的优点是输出信号的失真比较小。

缺点是输出信号的动态范围小，效率低，理想情况下的效率为50%。

考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损耗，A类功率放大器的效率仅为20%左右。

2、B类放大

B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50%，因为其晶体管只有在输入信号的正半周期工作在放大区，在输入信号的负半周是截止的。

它的优点是在理想的情况下其效率为78.5%，比A类提高了很多。

其缺点是非线性失真比A类功放大，而且会产生交越失真，增加噪声。

3、AB类放大

AB类功率放大器是以两类的结合，是每个功率放大器的导通时间在

50%—100%，此类功率放大器流行过一段时间，它兼顾了失真与效率两方面的性

能指标。

在设计该功率放大器是要设置晶体管的静态偏置电路。

使其工作在甲乙类状态，这类放大器的失真要比乙类的小，但其效率比乙类功放要低一些。

4、D类放大

D类功率放大器，就是将音频信号转成脉宽变化的形式，再由脉冲放大器放大输出，然后通过低通滤波电路还原成音频信号。

由于脉冲放大器工作在开关状态，电路本身的损耗只限于三极管（或场效应管）导通时饱和压降引起的损耗和元件开关损耗，适当选择元件，可以使得总损耗较小，因而电路工作效率较高。

理论上效率可以达到100%。

（二）方案选择

题目要求工作效率要达到85%,根据各种方案的工作效率，只有D类功率放大器才能满足要求。

所以选择D类放大器来完成题目要求的音频功率放大。

5

四、设计框图

三角波

发生器

比较器

驱动

H桥功

低通

负载

电路

率输出

滤波

扬声器

音频信号前置

放大

图2-3D类功率放大器组成框图

五、功能电路的设计

1、音频前置放大电路

当输入音频信号幅度较小时，需要先进行放大。

实现这一功能的电路称为前

置放大电路。

前置放大器输出的最大音频信号峰峰值不得超过5V，否则会出现峰值切割失真。

正常情况下，音频信号的峰值为0.25V。

因此，放大器的增益不必过高。

以电脑、mp3等作为声源输入，电压增益可以设为20倍。

通过滑动变阻器可以改变输入信号的幅度，实现音量的调节。

前置放大器电路采用运算放大器NE5532,其输入阻抗较大。

在输入级进行直流偏置保证输入电压为正值，满足单电源供电的需求。

在反馈支路上用滑动电位器，可以作为音量调节电位器。

输入的电容和电阻可以组成一个输入耦合网络。

前置放大电路仿真原理图

6

2、PWM调制电路

2.1．三角波产生电路

三角波产生电路由运算放大器OPA2340构成。

OP2340内部集成了两个运算放大器，其带宽为较大，噪声系数为6nV/Hz，失真为0.0006%，工作电流为5毫安，漂移电压为1毫伏，电源电压为4.5V~18V。

是轨到轨的运放，可以输出的三角波的峰峰值较大。

三角波发生电路如图所示，OPA2340运算放大器A构成一个方波发生器，OPA2340运算放大器B构成一个积分电路，输出三角波的频率为170kHz，频率计算公式如下：

fR1

4C1R2R3

三角波发生电路原理仿真图

三角波电路仿真结果

7

2.2．调制电路

调制电路用一个电压比较器就可以实现，当电压比较器同相端输入三角波电压信号，反相端正弦电压信号，电压比较器的输出就是脉冲宽度随正弦信号电压幅度变化而改变的脉冲调制信号。

调制的线性指标取决于三角波的线性度。

SPWM调制电路

这里为了获得两路相位相反的已调信号输出，采用两个LM393运算比较器同时对音频信号进行采样。

采样输出后使用施密特触发器对已调信号进行整形。

为了提高响应速度，在输出级采用9014三极管作为上拉。

比较器电路原理图

3、H桥放大电路

这里的脉冲功率放大电路采用四只场效应管为核心，组成对称桥式输出电路，如图2-12和2-13所示。

这一结构的电路优点是能够充分利用电源电压值，其输出电压信号的峰值几乎等于电源电压值。

这一输出方式称为平衡输出。

场效应管

8

又有输出大电流的能力，有利于提高输出功率。

图2-12所示的是全桥式功率输出电路（电路左右对称而上下不对称），需要4个独立的栅极激励脉冲，在PWM调制中，可以将四个栅极激励信号分为两组，两个对角管共用一组激励信号。

栅极的激励电压是相对于源极而施加的，所以上半部场效应管栅极的激励电位必定要高于电源正极电位，这就要求给上管栅极激励电路设置一组独立的工作电源。

同时，需要对上管栅极的激励信号采取隔离传

送。

隔离传送方式一般采用光电耦合器耦合或者采用脉冲变压器耦合方式。

若采用光电耦合器耦合脉冲信号，存在电流激励能力不足、工作速度不够快等问题，

需要强加电流放大，激励电路结构显得复杂；若采用脉冲变压器进行独立耦合，

工作速度和激励电流比较容易处理，但会丢失频率较低的调制信号成份，有些场合不适用。

图2-12全桥电路基本模

图2-13

H桥电路基本

型

模型

图2-13所示的是H桥式功率输出电路（电路的上下左右均对称），由P沟道和N沟道场效应管互补组成。

其栅极激励方式可以简单化，在较低的电源电压下（20V以下），只要将单边的两个场效应管栅极连接在一起，共用一个激励信号

就可以实现上下两个场效应管的开通与截止的交换。

这种激励方式归属于单边激励方式。

驱动电路原理图

9

4、输出滤波电路

采用二阶巴特沃斯滤波

负载

L1

L2

R

L3

L4

L

输入C1C2C3C4输入

图2-15四阶巴特沃斯滤波

器

L1

RL

RL

3.15

0.76

0.71

L20.54

C1

C2

其中

0，

0

，

RL0，

RL0

对于截止频率为20kHz设计。

负载阻抗设为8Ω，L1=L4=45μH，L2=L3=34

μH，C1=C4=3.1μF，C2=C3=0.8μF。

其中L1与L4在φ27黄白色铁粉芯磁环上

绕19匝，实测34μH；L2与L3在同样的铁粉芯磁环上绕16匝，实测23μH。

负载阻抗为8Ω，截止频率为15kHZ时，L1=L4=63μH，L2=L3=43μH，

C1=C4=4.7μH，C2=C3=1μH。

六、实验条件

【主要仪器】

主要设备数量

PC机一台

UT58A多功能数字万用表一块

示波器一台

函数发生器一台

电烙铁一台

【主要元器件】

主要元件型号

数量

LM311

2

CD40106BMS

1

IRF9120

2

IRF120

2

OPA2340

1

扬声器

1

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七、实验结果与分析

测试项目

题目要求

实测数据

是否满足要求

放大倍数

20

35

是

最大不失真功率

1W

0.6W

否

带宽

300Hz~10kHz

250Hz~20kHz

否

效率

85%

65%

否

可放音乐

可以放音乐

可以放

满足

分析：

1、最大不失真功率没有满足题目要求，经过检查和分析是由于前置放大电

路的输出最大不失真幅度太小，后来换了轨到轨的运放做前置放大电路，最大不失真功率可以有所提高。

2、带宽不满足要求，可以在输入耦合时进行带通滤波，还有输出滤波电路

还需要进一步的优化。

3、效率不高，可以选择导通电阻更小的开关管，减小导通压降。

还要优化

滤波电路，减小在滤波电路中的损耗。

自我评价：

优点：

电路设计总体简单，板面美观有一定的实用价值。

三角波的设计比较

好，幅值和稳定性能较好。

缺点：

有很多测试项目没有达到题目要求，其中前置放大和滤波电路的设计还存在一些问题，需要进一步的优化和设计。

八、总结

设计并制作一个D类音频功率放大器电路，对MP3、电脑等设备输出的音频信号进行功率放大，并通过喇叭播放放大后的音频信号，音频放大倍数可以根据需要进行调节。

系统将音频信号和三角波产生电路产生的三角波信号经过脉宽调制器产生PWM波，然后经过功率放大，低通滤波输出，驱动喇叭发出声音，从而达到功率放大的作用。

不过经过本次设计，我看到了自己的不足之处，让我对自己的水平有了进一步的认识，从而也了解了很多电子综合设计的内容，对我来说很有意义，也很有成就感，增加了我对电子设计的兴趣。

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参考文献

[1]陈永真.全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解.电子工业出版社，2009.11.

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作.北京航空航天大学出版社，2009.11.

[3]余小平.电子系统设计.北京航空航天大学出版社，2014.7.

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