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1、D 类高效率功率放大器电路组成根据设计任务书的要求，本系统的组成方框图如下图图 2.1 所示。下面将按照设计原则对每个模块的设计方案分别进行详细的比较与论证。图 2.1 系统组成方框图2.1 高效率功率放大器2.1.1 功率放大器的选择方案一：采用A类、B类、AB类非高效率功率放大器。很明显从前面的原理 介绍可知，这三类功放的效率均达不到本设计要求。方案二：采用 D 类功率放大器。由于 D 类功率放大器的工作原理是采用音频 信号的幅度性调制输入不完整的高频脉冲的幅度。在理想状态下，功放管一直工 作在高频状态，所以通过低通滤波器后的输出音频信号具有极高的效率，理论上 可达无损耗的 100%，实际
2、效率值可以达到 85%至 95%，所以此方案符合设计要求。2.1.2 功放核心实现电路的选择本设计的核心就是功放电路的设计，采用什么电路形式来达到题目要求的性 能指标，直接关系到设计的成败与实现的价值。所以在设计中分别对其中的脉宽 调制器、高速开关电路、滤波器的选择、开关管的选择进行方案论证与比较，为 最终的设计确定最佳方案。A. 脉宽调制器(PWM)方案一：采用符合条件的脉宽调制器，也就是市场上常见的 PWM 集成块，但 是PWM集成块通常有电源电压的限制，而且精度不高，难以满足本设计提出的精 度要求。方案二：使用集成的三角波产生器和比较器组合电路，其优点是各部分的实 现功能简单明确，而且能
3、灵活实现仿真与调试。而且可以在较低的电压下工作， 所以选择此方案。具体模块流程图如下图图2. 2所示。图 2.2 脉宽调制器流程图B. 高速开关电路方案一：使用推挽单端输出方式。设计电路如下图图2. 3所示，通过计算与 测试，电路输出载波峰峰值远达不到 5V 电源电压，最大输出功率也达不到设计 要求。此方案不可行。vcc输入输出1 k4 IGND图 2.3 高速开关电路方案二：选用 H 桥型输出方式。使用这种方式在理想的情况下，载波的峰峰 值最高可达到10V,明显的提高了输出功率，经计算，能达到设计要求和参数指 标，所以可以选择这种输出电路形式。设计电路如下图图2.4所示。图2.4 H桥型输出
4、电路C. 滤波器的选择方案一：采用两个二阶低通滤波器。缺点：负载上的电压得不到有效衰减， 输出信号有噪音干扰，得不到理想的输出波形。不符合设计要求，故不采用此方 案。方案二：采用两个完全相同的四阶低通滤波器。方案二是方案一的改进，在 20kHz频带的条件下使负载上的高频载波电压得到明显衰减，而且噪音明显减少, 达到了设计要求。D. 开关管的选择方案一：选用晶体三极管。晶体三极管虽然能够提供稳定的放大作用，但是 却有较大的驱动电流的要求，并存在存储时间过长，开关特性不够好，导致整个 功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大。此方案不符合设计要求。方案二：选用VMOSFET管。VMOSFET管具有很小
5、的驱动电流以及低导通电阻 及良好的开关特性，所以此方案符合设计要求。2.2 信号变换电路根据设计要求，系统采用的输出方式为浮动输出，所以需要信号变换电路具 有双端变单端的功能，而且增益最好为1 。方案一：采用数据集成放大器组成变换电路。优点：精度高；缺点：价格贵， 不符合经济的设计开发理念。方案二：采用差动式减法电路。减法电路是由简单的单运放组成，由于其电 路的设计功放要求输出具有很强的带负载能力，所以对变换电路的输入阻抗不高 符合本次设计要求。故采用此方案。2.3 功率测量电路方案一：用A/D转换器采样音频输出的有效值，也就是采样电压瞬时值，计 算出平均有效功率，原理框图如下图图2.5所示。此方案的缺点是算法过于复杂， 软件采样点多，工作量大。故不采用此方案。图2.5 A/D采样法功率测量流程图方案二：采用真有效值变换法。考虑到所设计的电路图，功放输出信号不是 单一的频率，所以必须采用真有效值变换值电路。原理框图如下图图2.6所示。 这个方案需要采用真有效值转换芯片，进而计算出音频信号电压的有效值，然后 用A/D转换器采样该有效值，用单片机很容易便采样计算出平均功率。相比方案 一很明显工作量小，速度快而且精度高。图 2.6 真有效值变换功率测量流程图
D类高效率功率放大器电路组成
