D类功率放大器摘要：本系统以高效率D类功率放大器为核心，通过将三角波与放大的音频信号相比较获得PWM脉宽调制信号，控制由MOSFET管构成的对称H桥结构进行功率放大，再通过Butterworth滤波器低通滤波后输出，系统还能够进行功率的测量于显示。

经测试，功率放大器效率达到66%，系统总体比较理想的实现了设计指标的要求。

关键词：D类功率放大器、PWM脉宽调制、H桥电路，Butterworth低通滤波器目录1方案论证与选择__________________________________________________ 21.1高效率功率放大器类型的选择____________________________________ 21.1.1高效率功率放大器类型的选择_________________________________________ 21.1.2高速开关电路_______________________________________________________ 21)输出方式__________________________________________________________ 22)驱动方式__________________________________________________________ 31.1.3滤波器的选择_______________________________________________________ 42单元电路设计____________________________________________________ 52.1D类功率放大器电路 ___________________________________________ 52.1.1D类放大器的工作原理： _____________________________________________ 52.1.2三角波发生电路_____________________________________________________ 62.1.3比较器: ____________________________________________________________ 72.1.4音频信号前置放大器： ______________________________________________ 102.1.5开关放大电路：____________________________________________________ 101)驱动电路：_______________________________________________________ 102)H桥互补对称输出电路： ____________________________________________ 102.1.6低通滤波器：______________________________________________________ 112.2信号变换电路________________________________________________ 122.3功率测量及显示电路 __________________________________________ 12 3软件设计_______________________________________________________ 12 4系统测试及改进方案_____________________________________________ 12 5结论___________________________________________________________ 14参考文献___________________________________________________________ 14附录1 主要元器件清单 ______________________________错误！未定义书签。

附录2 程序清单 ____________________________________错误！未定义书签。

附录3 印制版图 ____________________________________错误！未定义书签。

附录4 系统使用说明 ________________________________错误！未定义书签。

1方案论证与选择根据题目要求，本系统由功率放大部分和两部分组成，原理方框图如图下面分别对各部分电路的设计方案进行论证与比较。

1.1高效率功率放大器1.1.1高效率功率放大器类型的选择方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。

这三类功率放大器的功率均达不到题目要求。

方案二：采用D类功率放大器。

D类放大器利用脉宽调制技术，把模拟音频信号的幅度调制为一系列矩形脉冲的宽度，再通过功率输出管进行放大，最后经过LC低通滤波器后输出音频信号。

输出功率管工作在开关状态，损耗小，效率高，理论上可以达到100%，实际电路也可以达到80%-90%。

比较后，选择D类功率放大器。

1.1.2高速开关电路1)输出方式方案一：采用推挽单端输出方式，如图所示，电路输出信号的峰-峰值不可能超过电源电压Vcc，输出功率难以提高。

方案二：选用H桥的输出方式（如图所示）。

此方式浮动输出载波峰-峰值可达2Vcc，充分利用了电源电压，有效提高了输出效率，故选用这种电路形式。

2)驱动方式方案一：通过三极管构成反向器电路，互补的两路信号分别驱动两个推挽结构，输出两路驱动信号PW1和PW2，送往开关功率管进行开关控制。

使用推挽结构目的是在短时间内提供较大电流。

实际中，对该电路进行了测试，发现两路PWM信号波形不互补对称，偏差较大，而未经反向的波形良好，反向后的高电平时间变窄约1.5us（为反相器上跳变响应延时），下跳变时间正常。

不能满足控制需要。

方案二：利用反向器集成芯片74HC14实现PWM信号的反向，输出两路互补的驱动信号PW1和PW2，送往开关功率管进行开关控制。

为提供较大驱动电流，将反向器并联使用，实际测试中测得信号的高低电平转换的延时时间约为500ns,且两路信号互补对称。

方案三：利用反向器集成芯片74HC14实现PWM信号的反向，互补的两路信号分别驱动两个推挽结构，输出两路驱动信号PW1和PW2，送往开关功率管进行开关控制。

为提供较大驱动电流，将反向器并联使用。

方案三综合了前两个方案的优点，实际测试中效果良好，信号的高低电平转换的延时时间约为200ns,且两路信号互补对称。

比较后，选择方案三。

1.1.3滤波器的选择方案一：利用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器，缺陷是负载上的高频分量的电压没有得到充分衰减。

方案二：利用四个相同的二阶Butterworth 低通滤波器，在保证通频带的前提下使负载上的高频分量的电压获得较为充分的衰减。

比较后，选择方案二。

2 单元电路设计2.1 D 类功率放大器电路2.1.1 D 类放大器的工作原理：原理框图如下，脉宽调制器由三角波发生电路和比较器两部分组成，其工作过程可由图表示：即通过比较器实现三角波对正弦波的脉宽调制，获得脉宽与输入信号幅度成正比的调制信号。

u O O u U -U2.1.2 三角波发生电路如图所示为三角波发生电路，该电路采用NE5532和高速精密电压比较器LM311来实现（电路如图所示）。

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。

载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路实现，选择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,能够满足题目的要求，所以我们选择载波频率为150kHz 。

电路参数的计算：我们把NE5532的5脚和LM311的3脚的电位通过Rt1和Rt2分压设定为2.5V ，同时设定输出的对称三角波幅度为1.5V 。

若选定Rt5为68k Ω，并忽略比较器高电平时在Rt6上的压降，则Rt4的求解过程如下：得取Rt4为43 k Ω工作频率的确定主要从两个方面考虑，一方面，作为载波的三角波的工作频率越高越有利于提高调制信号中的基波分量，而调制信号中基波分量的多少将直接影响着功率放大器的效率的高低；另一方面，考虑到器件电平转换的时延，较高频率的三角波也是较难做到的。

综合考虑以上两点，我们选定工作频率f=150kHz,并设定RWt+Rt3=15 k Ω,则电容C3计算过程如下：对电容的恒流充电或放电电流为则电容两端电压值为其中T1为半周期，T1=T/2=1/2f 。

CF V 的最大值为3V ，则代入可得取CF=220pF ，Rt3=6.8 k Ω, RWt 采用200 k Ω可调电位器。

便于调节发生三角波的频率为150kHz 。

45.1685.25t R =-Ω=⨯=k R t 8.405.25.16841340)(5.211T R R C dt I C V t Wt T F CF +==⎰335.25.25t Wt t Wt R R R R I +=+-=pFf R R C t Wt F 2.1856*)(5.23=+=2.1.3比较器:选用精密、高速比较器LM311，电路如图所示，在单电源供电的情况下，由两两相等的电阻Rp1和Rp2,Rp3和Rp4分压提供 2.5V的静态电位，取Rp1=Rp2=68kΩ，Rp3=Rp4=68kΩ。

由于三角波幅度为1.5V，所以音频信号的幅度不能大于1.5V，否则会使功放产生失真正弦波电压及频率三角波电压及频率经LM311比较器后波形经LM311比较器后波形2.1.4音频信号前置放大器：NE5532频带较宽、转换速率（摆率）较快，适合用于对音频信号的放大。

输入电阻要求大于10 kΩ，故可取Ra1=Ra2=68 kΩ,则Ri=68/2=34 kΩ,电压增益通过反馈电阻调节，采用电位器RWa1,取RWa1=50 kΩ，那么银牌信号前置放大器的最大增益Av为Av= RWa1/ Ra3=12.82.1.5开关放大电路：电路实现如图所示，由驱动电路和H桥互补对称输出电路组成。

1)驱动电路：具体实现见图，将PWM调制信号变换为互补对称的驱动信号PW1和PW3，将施密特触发器74HC14并联运用以获得较大的驱动电流，为保证快速驱动，再用晶体三极管对管组成的推挽结构构成输出管。

选用HC系列主要考虑到其转换速度较高且可提供较大电流的特点，晶体三极管选用8050和8550对管。

2)H桥互补对称输出电路：对于MOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。