湖南文理学院电信学院课程设计（论文）
图2-3 高速开关电路
方案二：选用H桥型输出方式(电路如图2-4所示)。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰-峰值可达10 V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。
图2-4高速开关电路
b. 开关管的选择。为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低损耗。
方案一：选用晶体三极管、IGBT管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大；IGBT管的最大缺点是导通压降太大。
方案二：选用VMMOSFET管。VMOSFET管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用高速VMOSFET管。 ③ 滤波器的选择
方案一：采用两个相同的二阶巴特沃兹低通滤波器。缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。
方案二：采用两个相同的四阶巴特沃兹低通滤波器，在保证20kHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。
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2.2.2信号变换电路
由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为1。 方案一：采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。
方案二：由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。 2.2.3功率测量电路
方案一：直接用A/D转换器采样音频输出的电压瞬时值，用单片机计算有效值和平均功率，原理框图如图2-5所示，但算法复杂，软件工作量大。
图2-5功率测量电路
方案二：由于功放输出信号不是单一频率，而是20KHz频带内的任意波形，故必须采用真有效值变换电路。此方案采用真有效值转换专用芯片，先得到音频信号电压的真有效值。再用A/D转换器采样该有效值，直接用单片机计算平均功率(原理框图如图2-6所示)，软件工作量小，精度高，速度快。
图2-6功率测量电路
2.3方案确定
D类放大器的架构有对称与非对称两大类，在此讨论的D类功放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。通过以上各方案论证D类放大器由PWM电路、开关
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功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图2-7所示。
它采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。其输出电压是叠加变大的，经过低通滤波器后，仍存在较大的负载电流，特别当滤波器设计不好时，流过负载的电流就会更大，从而导致负载损耗大，降低放大器效率。
音频输入
电压放大器 比 较 器 三角波发生器 驱动电路 开关放大电路 滤波电路 外接 测量 电路 驱动电路 开关放大电路 图2-7系统组成框图
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滤波电路
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第3章 硬件电路设计
3.1 原理分析
D类功率放大器的工作过程是：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器发声。当输入PCM数字信号时，数字信号经PCM-PWM转换器，转变成为PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经低通功率滤波器带动扬声器工作。 3.1.1脉宽调制器
①三角波产生电路。该电路我们用555芯片构成三角波产生电路，如图3-1所示。 本设计利用555组成多谐振荡器的电容C41充放电特性加以改进，实现对电容C41的线性充放电获得三角波。利用QN9、QN10和R22构成恒流源对C41实现线性充电，利用QN7、QN8和R23构成的恒流源实现对C41的放电。 电容C41上的三角波经QN6射极跟随器输出。电路中电容C41选用漏电流很低的聚苯乙烯电容。该振荡器振荡频率:2/3Vcc=1/3Vcc+I*T1/C;1/3Vcc=2/3Vcc-I*T2/C; F=1/(T1+T2)=3I/2Vcc*C。我们要得到一个线性很好、频率约100KHZ、峰峰值为2.18V的三角波，将其输入到脉宽调制比较器的一个输入端。
图3-1 三角波产生电路
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电路工作原理如下：接通电源瞬间，555芯片的3脚输出高电平，二极管D3 截止，D4 导通，从而 D2 也截止，D1 导通，电源 Vcc 通过 QN9，QN10，R22，D1 对电容C41恒流充电，当C41上电压达到2/3Vcc时，555 芯片的输出发生翻转，即 3脚输出低电平，D3导通，D4截止，从而D1也截止，D2导通，电容C41通过D2，QN7，QN8，R23恒流放电，直到C41电压等于1/3Vcc，电容又开始充电，如此循环，则C41上可以得到线性度良好的三角波，输出加一级电压跟随器，以提高带负载能力，其仿真波形如图3-2所示。
图3-2 三角波波形图
②比较器
常规PWM调制电路如图3-3所示，电路以音频信号为调制波，频率为150kHz的三角波为载波，两路信号均加上2.5V的直流偏置电压，通过比较器进行比较， 得到幅值相同， 占空比随音频幅度变化的脉冲信号。 比较电路采用高速、精密的比较器芯片LM311。由于比较器芯片LM311的输出级是集电极开路结构，输出端须加上拉电阻，上拉电阻的阻值采用芯片资料上的推荐阻值1k。其仿真波形如图3-4所示。
图3-3 比较器电路
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