【文章內(nèi)容簡介】 合，使整個設(shè)計過程不枯燥無味，從而既實現(xiàn)了對功率放大器的理論學(xué)習(xí)，又進(jìn)行一次高性能智能型產(chǎn)品設(shè)計。同時，通過實際設(shè)計與制作，進(jìn)一步發(fā)揮和 鞏固四年來所學(xué)的知識，在實踐中鍛煉自己，在鍛煉中提高自己專業(yè)水平。 D 類功率放大器的最初設(shè)計主要是用于高頻功率放大，其理想效率可達(dá) 100％。近年來由于大功率高速開關(guān)器件技術(shù)的成熟， D 類放大技術(shù)也被廣泛用于高效率低頻功率放大，并出現(xiàn)一些專用集成電路。 工作重點 清楚丙類放大器的工作原理掌握丙類放大器的計算與設(shè)計方法弄清楚電源電壓和集電極負(fù)載對功率放大器動率和效率的原理 比較甲類功率放大器與丙類功率放大器的特點、功率、效率。 培養(yǎng)獨立思考，團隊合作 ,動手能力。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2 第二章 方案論證與比較 根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要 求，本系統(tǒng)的組成方框圖如圖 所示。下面對每個方框內(nèi)電路的設(shè)計。 方案分別進(jìn)行論證與比較： 高效功率放大器 （圖 ） 本題目的核心就是功率放大器部分，采用何種電路形式以達(dá)到題目要求的性能指標(biāo)，是我們成功的關(guān)鍵。 脈寬調(diào)制器（ PWM） 方案一：可選用專用的脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題發(fā)揮部分的實現(xiàn)。 方案二：采用圖 所示方式來實現(xiàn)。三角波產(chǎn)生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分的功能清晰，實現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。若合理的選擇器材參數(shù)，可使其能在較低的電壓下工作 ，故選用此方案。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3 高速開關(guān)電路 （圖 ） 輸出方式： 方案一：選用推挽單端輸出方式（電路如圖 所示）。電路輸出載波峰 — 峰值不可能超過 5V 電源電壓，最大輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到題目的基本要求。 方案二：選用 H 橋式輸出方式（電路如圖 所示）。此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波的峰 — 峰值可達(dá) 10V，有效的提高了輸出功率，且能達(dá)到題目所有指標(biāo)要求，故選用此輸出電路形式。 開關(guān)管的選擇 為提高功率放大器的效率和輸出功率，開關(guān)管的選擇非常重要，對它的要求是高速 低導(dǎo)通電阻、低損耗。 （圖 ） 方案一：選用晶體三極管 IGBT 管。晶體三極管需要較大的驅(qū)動電流，并儲存時間，開關(guān)特性不夠好，使整個功放的靜態(tài)損耗及開關(guān)過程中的損耗較大； IGBT 管的最大缺點是導(dǎo)通壓降太大。 方案二：選用 VMOSFET 管。 VMOSFET 管具有較小的驅(qū)動電流 低導(dǎo)通電阻及良湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 4 好的開關(guān)特性，故選用高速 VMOSFET 管。 濾波器的選擇 方案一：采用兩個相同的二階 Butterworth 低通濾波器。缺點是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。 方案二： 采用兩個相同的四階 Butterworth 低通濾波器，在保證 20kHz頻帶的前提下使負(fù)載上的高頻載波電壓進(jìn)一步得到衰減。 信號變換電路 由于采用浮動輸出，要求信號變換電路具有雙端變單端的功能，且增益為 1。 方案一：采用集成數(shù)據(jù)放大器，精度高，但價格較貴。 方案二：由于功放輸出具有很強的帶負(fù)載能力，故對變換電路輸入阻抗要求不高，所以 可選用較簡單的單運放組成的差動式減法電路來實現(xiàn)。 功率測量電路 方案一：直接用Ａ /Ｄ轉(zhuǎn)換器采樣音頻輸出的電壓瞬時值，用單片機計算有效值和平均功率，原理框架圖（如圖 所示），但算法復(fù)雜，軟件工作量大。 （圖 ） 方案二 ：由于功放輸出信號不是單一頻率，而是 20kHz頻帶內(nèi)的任意波形，故必須采用真有效值變換電路。此方案采用真有效值轉(zhuǎn)換專用芯片，先得到音頻信號電壓的真有效值。再用 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣該有效值，直接用單片機計算平均功率（原理框圖如圖 所示），軟件工作量小，精度高，速度快。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 5 （圖 ） 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 6 第三章 硬件調(diào)試 D 類放大器的工作原理 一般的脈寬調(diào)制 D 類功放的原理方框圖如圖 所示。圖 8 為工作波形示意。其中（ a）為輸入信號；（ b）為鋸齒波與輸入信號進(jìn)行比較的波形； (c)為調(diào)制器輸出的脈沖（調(diào)寬脈沖）； （ d）為功率放大器放大后的調(diào)寬脈沖； (e)為低通濾波后的放大信號。 （圖 ） 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 7 (圖 ) D 類功放各部分電路分析與計算 脈寬調(diào)制器 ①三角波產(chǎn)生電路。該電路我們采用 555 集成電路來實現(xiàn)（電路如圖 9 所示）。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 8 （圖 ） ① 三角波產(chǎn)生電路。該電路我們用 555 芯片構(gòu)成三角波產(chǎn)生電路，如圖 所示。 本設(shè)計利用 555 組成多諧振蕩器的電容 C4 充放電特性加以改進(jìn)，實現(xiàn)對電容 C4的線性充放電獲得三角波。利用 T T2 和 R6 構(gòu)成恒流源對 C4 實現(xiàn)線性充電，利用T T4 和 R7 構(gòu)成的恒流 源實現(xiàn)對 C4 的放電。 電容 C4 上的三角波經(jīng) T5 射極跟隨器輸出。電路中電容 C4 選用漏電流很低的聚苯乙烯電容。 該振蕩器的振蕩頻率 f=（ R6+ R7） C4。我們要得到一個線性很好、頻率約 100KHZ、峰峰值為 的三角波，將其輸入到脈寬調(diào)制比較器的一個輸入端。 電路工作原理如下：接通電源瞬間， 555 芯片的 3 腳輸出高電平，二極管 D3 截止， D4 導(dǎo)通，從而 D2 也截止， D1 導(dǎo)通，電源 Vcc 通過 T1， T2， R6， D1 對電容 C4 恒流充電，當(dāng) C4 上電壓達(dá)到 2/3Vcc 時， 555 芯 片的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即 3腳輸出低電平， D3 導(dǎo)通， D4 截止，從而 D1 也截止， D2 導(dǎo)通，電容 C4 通過 D2， T3，T4， R2 恒流放電，直到 C4 電壓等于 1/3Vcc，電容又開始充電，如此循環(huán)，則 C4 上可以得到線性度良好的三角波，輸出加一級電壓跟隨器，以提高帶負(fù)載能力，其仿真波形如圖 所示。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 9 （圖 ） 由于三角波 Vpp=2V,所以要求音頻信號的 Vpp 不能大于 2V，否則會使功放產(chǎn)生失真。 ② 比較器 常規(guī) PWM 調(diào)制電路如圖 所示，電路以音頻信號為調(diào)制波，頻率為 150kHz的三角波為載波 ，兩路信號均加上 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。 比較電路采用高速、精密的比較器芯片 LM311。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芯片資料上的推薦阻值 1k。 （圖 ） 前置放大器 電路如圖 所示。設(shè)置前置放大器，可使整個功放的增益從 1～ 20 連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較起的比較精度。當(dāng)功放輸出的最大失真功率為 1W 時，其 8Ω上的電壓 Vpp=8V,此時送給比較器音頻信號的 Vpp 值應(yīng)為 2V，則功放的最大增益約為 4。因此必須對輸入的音頻信號進(jìn)行前置放大，其增益應(yīng)大于 5。前放仍采用寬頻帶、低漂移、滿幅運放 NE5532，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。選擇同相放大器的目的是容易實現(xiàn)輸入電阻 Ri≥ 10kΩ的要求。同時，采用滿幅運放可在降低電源電壓時仍能正常放大，取 V+＝ Vcc/2=,要求輸入電阻 Ri 大于 10kΩ，故取 R1=R2=51kΩ，則湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 10 Ri=51/2=，反饋電阻采用電位器 R4，取 R4=20kΩ，反相端電阻取 ，則前置放大器的最大增益 Av 為 Av =1+34RR =1+ ? 調(diào)整 R4 是其增益約為 8，則整個功放的電壓增益從 0～ 32 可調(diào)。 前置放大 (圖 ) 考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值 Vom＜ ,取 Vom 等于 ,則要求輸入的音頻最大幅度 Vim小于 250mV。超過此幅度則輸出會產(chǎn)生削波失真。 驅(qū)動電路 電路如圖 所示。將 PWM 信號整形變換成互補對稱的輸出驅(qū)動信號，用CD40106 施密特觸發(fā)器并聯(lián)運用以獲 得較大的電流輸出，送給由晶體三級管組成的互補對稱式射極跟隨器驅(qū)動的輸出管，保證了快速驅(qū)動。驅(qū)動電路晶體三級管選用2SC8050 和 2SA8550 對管。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 11 （ 圖 ） 橋互不對稱輸出電路 對 MOSFET 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)動的對管，IRFD640 和 IRFD9640 VMOD 對管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實際電路如圖所示?；パa PWM 開關(guān)驅(qū)動信號交替開啟 Q5 和 Q8 或 Q6 和 Q7，分別經(jīng) 兩個 4 階 Butterworth 濾波器濾波后推動喇叭工作。 如圖 所示 （圖 ） 低通濾波器 本電路采用 4 階 Butterworth 低通濾波器。對濾波器的要求是上限頻率大于等于湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12 20kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。 我們采用了電子工作臺（ EWB） 軟件仿真，從而得到了一組較佳的參數(shù)：L1=22Uh,L2=47Uh,C1=,C2=1uF。 處下降 ,可保證 20kHz 的上限頻率，且通帶內(nèi)曲線基本平坦； 100kHz、 150kHz處分別下降 48dB、 62dB，完全達(dá)到要求。 信號變換電路 電路要求增益為 1，將雙端變?yōu)閱味溯敵觯\放選用寬帶運放 NE5532，電路如圖 所示。由于對這部分電路的電源電壓不加限制，可不必采用價格較貴的滿幅運放。由于功放的帶負(fù)載能力很強，故對變換電路的輸入阻抗要求不高，選R1=R2=R3=R4=20kΩ。其增益為 Av=R3/R1=1，其上限頻率遠(yuǎn)超過 20kHz的指標(biāo)要求。 如圖 所示 （圖 ）信號變換 功率測量及顯示電路 功率測量及顯示電路真有效值轉(zhuǎn)換電路和單片機系統(tǒng)組成。 真有效值轉(zhuǎn)換器 選用高 精度的 AD637 芯片（如圖 所示），其外圍元件少、頻帶寬，精度高于﹪。 單片機系統(tǒng) 本系統(tǒng)主要由 89C51 單片機、可編程邏輯器件 EPM712 A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D574 和湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 13 鍵盤顯示接口電路等組成。經(jīng) AD637 進(jìn)行有效值變換后的模擬電壓信號送 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574,由 89C51 控制 AD574 進(jìn)行模