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D类功率放大器

1．PWM调制分析

（1）从能量的角度来看，在每个时间内，正弦波与所对应的脉宽波所包含的能量等，这样调制后得到的脉宽调制波作用在一个惯性系统（RLC）后，其效果与响应的正弦波相同。

（2）从频域角度分析，三角波经过调制得到典型的正弦脉宽调制波形：

这种周期信号的频谱对应离散谱，对于信号频率为，载频频率为的调制信号，其频谱主要分布在（）谱线上。当时，调制信号通过低通滤波器后，载频衰减极大，容易分离出语音信号。

2D类功放的交越失真

理论上D类功放在信号处理上不存在失真，因为通过PWM技术已将音频信号的幅度变化转变成等幅脉冲的脉冲宽度变化，音频信号的所有信息都包含在脉宽变化上，即使波形有所畸变也可通过波形校正电路进行校正，以保证还原后音频信号不失真。但事实并非如此，从音频信号的脉宽调制到功率音频信号的输出，每一个环节都可能产生失真，其中危害最大的当数交越失真。

（1）PWM调制与交越失真

在音频信号的脉宽调制电路中，由于语音、音乐信号波形的不规则性、不对称性，常需要将时间轴上方的波形和时间轴下方的波形分别进行脉宽调制，虽然不需要考虑AB类功放的偏置电压，但需考虑推挽管在交替导通时必须有一定的时间间隔，否则会出现两只功率管的直通现象，所以这种电路本身也需要死区。既然存在死区，就不可避免地会产生交越失真。

（2）SPWM调制与交越失真

将一个正弦信号直接与一个三角载波比较，可得到SPWM信号，该信号通过驱动电路去驱动全桥或半桥电路，在正负半周的交界处有较为明显的空档，说明PWM信号的有些脉冲在经开关的死区时间时丢失了。一般来说，功率管的额定功率越大，最高开关频率就越低。音频信号幅度很小时，调制后对应的脉冲很窄，功率管没有足够高的开关频率，则无法将其分辨出来。信号幅度越低，PWM脉冲就越窄，交越失真越严重。

3．原理方框图

一般的脉宽调制D类功放的原理框图如图1-2所示。图1-3为其各点工作波形示意图，其中（a）为输入信号；（b）为锯齿波与输入信号进行比较的波形；（c）为调制器输出的脉冲（脉宽波形）；（d）为功率放大器放大后的脉宽脉冲；（e）为低通滤波后的放大信号。

图1-2D类功放原理方框图

图1-3各点波形

具体电路

根据图1-2采用模拟PWM调制的类功放原理方框图，所设计的具体电路如下（根据第五届全国大学生电子线路设计大赛的D题要求）：

1．三角波产生电路：

三角波是对输入音频信号进行抽样的载波，因为音频信号频率是从20Hz到20kHz，为了达到较好的还原效果，三角波频率应该远大于音频。综合考虑保真度及整机复杂度，在这里三角波的频率选取150k，利用双运放NE5532来完成三角波产生电路。前一级运放构成施密特触发器，输出为高电平为VCC低电平为零的方波。后一级运放与C构成积分器，当前一级产生的方波占空比为50％时，输出为上升下降时间相等的三角波。因为PWM调制时，要求三角波与输入信号的直流电平一致，所以这里用电位器来调节其直流电平。电路图如图2-1所示。

三角波的幅值为：

三角波的频率为：

图2－1三角波产生电路

2．前置放大电路：

因为输入的音频信号幅度比较小，所以要先前置放大再与三角波进行比较。通过调节反馈电阻的大小就可以实现增益0到20倍可调。因为整个功率放大电路都使用5v供电，而输入信号有正有负，所以在输入端要对信号加上2.5v的直流偏置。电路图如图2-2所示。

图2－2前置放大电路

3．PWM调制电路：

利用高精度的比较器LM311对输入信号和三角波进行比较，通过调节同相端的电位器可以调节输入信号的直流电平，必须保证输入信号与三角波的直流电平相等，才能使最终经滤波后得到的波形不失真。因为LM311的输出端是集电极开路结构，所以必须加上拉电阻。电路图如图2-3所示。

图2－3比较电路

4．驱动电路：

从PWM调制器出来的PWM波形的上升下降时间有点大，所以要通过非门来整形。如果直接将非门输出的信号接到场效应管的栅极，电压会被拉低，所以要加三极管来驱动。通过非门并联的方式来增加电流来驱动三极管的基极，三极管的射极输出再来驱动场效应管。电路图如图2-4所示。

图2－4驱动电路

5．H桥开关功放及低通滤波器：

四个场效应管驱动一大电流进入低阻抗感性负载，场效应管轮流成对导通，当一对导通时另一对就截止；为了避免两对场效应管同时处于导通或截止状态，电路应该保证一对场效应管导通和另一对场效应管截止不会重叠，这就要求从前面的驱动电路出来的信号上升下降时间很短。受调制的方波总是使功率开关管尽可能快的改变状态，缩短了场效应管工作在线性工作区的时间，使效率大大提高。

滤波器的作用是滤除载波，使输入的音频信号完全通过。所以设计滤波器要使20到20kHz的通频带尽可能