游曉容

摘 要：數(shù)字功率放大器又簡稱為D類功放，常用于日常生活中各種電子產(chǎn)品的音樂播放。本論文D類功率放大器是采用NE5532運放及LM311形成自激震蕩產(chǎn)生150kHz載波，將輸入低頻信號調(diào)制成等幅脈沖，然后功率放大推對動管，最后通過濾波分離出低頻信號。

關(guān)鍵詞：D類功放；振蕩載波；濾波

1 功放的選擇

傳統(tǒng)功放主要有A類功放、AB類功放以及B類功放。A類功放主要是小信號進(jìn)行放大，需要設(shè)置偏置電壓來穩(wěn)定電路，因此效率較低。B類功放不是依靠偏置電壓進(jìn)行放大，而是利用當(dāng)輸入信號大于三極管的導(dǎo)通電壓時，三極管則導(dǎo)通的原理進(jìn)行放大。由于輸入信號有正負(fù)之分，因此需要用2個三極管進(jìn)行放大。由于當(dāng)輸入信號小于導(dǎo)通電壓，即在-0.6V到0.6V的范圍內(nèi)，三極管不能導(dǎo)通，因此不能對輸入信號進(jìn)行放大，存在失真情況，因此提出了AB類功放。AB功放工作時，由于直接對模擬信號進(jìn)行放大，要求三極管處于線性放大狀態(tài)，因此需要消散太多功耗，這樣也存在弊端。

D類功放克服以上弊端，采用脈沖高低電平控制開關(guān)器件導(dǎo)通截止，則輸出信號的電壓和電流均已被放大，也即功率被放大，所以功率消耗是非常小的。

2 D類功放的工作原理

D類功放的工作原理：首先利用運放自激振蕩產(chǎn)生一個高頻載波，然后將輸入的低頻模擬信號經(jīng)過比較器調(diào)制到高頻信號。這個調(diào)制波是一系列寬度受到調(diào)制的等幅脈沖信號，且頻率是隨低頻信號的幅度變化而變化，這個過程也叫脈沖寬度調(diào)制，簡稱脈寬調(diào)制。這個系統(tǒng)一般由比較器構(gòu)成，輸入信號是三角波（載波）和低頻信號，兩個信號進(jìn)行比較，如果低頻信號大于三角波信號，比較器輸出常數(shù)，如果是小于，則輸出0，因此比較器輸出是一系列調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波，輸出的調(diào)制波經(jīng)開關(guān)功率放大后經(jīng)過濾波輸出低頻信號。

3 原理方框圖

4 工作原理簡介

4.1 通道選擇及顯示原理

通道可以分為1通道和2通道。選擇電路采用74ls74芯片，它是一種雙上升沿D觸發(fā)器芯片，一共有14個引腳。

由于輸入信號是低頻模擬音頻信號，所以本論文多路選擇分配器采用74HC4052芯片。

當(dāng)D觸發(fā)器輸出端為高電平，數(shù)碼管顯示2，同時信號進(jìn)入74HC4052第10腳，該芯片數(shù)字選擇端選擇Y1通道信號輸入和輸出Y1信號，也即選擇了通道2。當(dāng)D觸發(fā)器輸出端為低電平，數(shù)碼管顯示1，同時信號進(jìn)入74HC4052第10腳，該芯片數(shù)字選擇端選擇Y0通道信號輸入和輸出Y0信號，也即選擇了通道1。

4.2 載波產(chǎn)生電路

本文中采用的載波為三角波，頻率為170kHz。該載波的作用是將輸入的模擬低頻信號調(diào)制到高頻上，形成調(diào)制波。

該電路采用NE5532運放及電壓比較器LM311形成自激振蕩而產(chǎn)生。

在設(shè)置電路參數(shù)時需要注意的是：芯片均是 5V電源供電，運放可以采用10kΩ電阻進(jìn)行分壓，使電壓分壓為 2.5V，同時要求設(shè)置好參數(shù)使載波輸出的幅度為 3V。

4.3 比較器電路

本文中電路選用LM311芯片。該芯片供電電壓為5V，為了獲得V+=V-=2.5V 的靜態(tài)電位，4個電阻阻值取 10kΩ。由于載波Vp-p=3V，因此需要音頻信號的Vp-p≤4V，否則會造成功放失真。

該部分作為調(diào)制器電路，把原始輸入的音頻信號通過通道選擇、放大、加直流偏置后輸入到運放LM311的2 腳正輸入端，通過自激振蕩電路生成一個三角形載波輸入到比較器LM311的3腳負(fù)輸入端。當(dāng)2腳正端上的電壓大于3腳負(fù)端上的電壓，輸出得到高電平，反之則得到低電平。當(dāng)沒有輸入信號時，直流偏置的電壓值為三角波峰值的一半，此時比較器輸出為方波。當(dāng)有音頻信號輸入且是正半周時，比較器輸出高電平的時間大于低電平時間，方波的占空比大于二分之一；負(fù)半周時，比較器正輸入端的電壓大于零，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少，方波占空比小于二分之一。因此比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形。這樣低頻音頻信息就被調(diào)制到脈沖波形中。波形如圖二。

4.4 驅(qū)動電路以及功放電路

驅(qū)動電路采用IR2110全橋驅(qū)動。功放電路采用D類功放，這是一個脈沖控制的大電流開關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號。

4.5 低通濾波器

150kHz的載波，采用四階LC 濾波器。作用是從PWM波形中分離出低頻信號。工作原理：當(dāng)占空比大于二分之一的脈沖到來時，電容的充電時間大于放電時間，輸出電平升高；窄脈沖到來時，電容的放電時間大于充電時間，輸出電平降低，正好與原音頻信號的幅度變化一致，從而使得原音頻信號被分離出來。

5 結(jié)束語

利用NE5532及LM311運放設(shè)計數(shù)字功放，通過制作PCB板并焊接、調(diào)試并實現(xiàn)相應(yīng)功能，音質(zhì)較好，因此是一款比較實用的數(shù)字功放。

該電路設(shè)計與制作適用于對模電、數(shù)電掌握較好，且具有一定設(shè)計基礎(chǔ)的學(xué)生，該實驗會使他們對電子技術(shù)掌握得更好。