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D类功放放大器实验报告.doc
1方案论证与选择
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
1.1.2高速开关电路
1)输出方式
2)驱动方式
1.1.3滤波器的选择
2单元电路设计
2.1 D类功率放大器电路
2.1.1D类放大器的工作原理：
2.1.2三角波发生电路
2.1.3比较器:
2.1.4音频信号前置放大器：
2.1.5开关放大电路：
1)驱动电路：
2)H桥互补对称输出电路：
2.1.6低通滤波器：
2.2信号变换电路
2.3功率测量及显示电路
3软件设计
4系统测试及改进方案
4.1测试使用的仪器
4.2指标测试与测试结果
1）最大不失真功率及系统效率
负载：标称8欧喇叭
最大不失真电压为6.4Vp-p，此时
负载电压1.94V（RMS），电流0.209V（RMS），功率0.405W。
电源电压4.96V， 电流0.124A， 功率0.615W。
效率为0.405/0.615＝66％。
2）3dB通频带可达300Hz-20kHz
3）低频噪声电压的测量 将输入端与地短接，测得负载噪声约为4mVp-p
4）电压放大倍数满足题目要求
4.3测量结果分析及改进方案
1）除最大不失真功率外均达到2001年题目指标要求，分析原因：主要原因在于功率开关管的开关速度不能满足系
2）可以将电路中的两个NE5532换为TLC4502，TLC4502不仅可以具有较宽的频带，而且可以在较
5结论
参考文献
附录1 主要元器件清单
附录2 程序清单
附录3 印制版图
附录4 系统使用说明
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
Abstract:
Key words:
1
目
录
1.1
2.1
1 方案论证与选择 _________________________________________________ 3
高效率功率放大器类型的选择 _______________________________________3
1.1.1 高效率功率放大器类型的选择 ___________________________________________ 3
1.1.2 高速开关电路 _________________________________________________________ 3
1) 输出方式 _____________________________________________________________ 3
2) 驱动方式 _____________________________________________________________ 4
1.1.3 滤波器的选择 _________________________________________________________ 5
2 单元电路设计 ___________________________________________________ 5
D 类功率放大器电路 _______________________________________________5
D 类放大器的工作原理： _______________________________________________ 5
2.1.1
2.1.2 三角波发生电路 _______________________________________________________ 6
2.1.3 比较器: ______________________________________________________________ 8
2.1.4 音频信号前置放大器： _________________________________________________ 8
2.1.5 开关放大电路： _______________________________________________________ 9
1) 驱动电路： ___________________________________________________________ 9
2)
H 桥互补对称输出电路： _______________________________________________ 9
2.1.6 低通滤波器： ________________________________________________________ 10
信号变换电路 ____________________________________________________10
功率测量及显示电路 ______________________________________________10
3 软件设计 ______________________________________________________ 10
4 系统测试及改进方案 ____________________________________________ 11
5 结论 __________________________________________________________ 12
参考文献 __________________________________________________________ 13
附录 1 主要元器件清单 ______________________________________________13
附录 2 程序清单 ____________________________________________________13
附录 3 印制版图 ____________________________________________________13
附录 4 系统使用说明 ________________________________________________13
2.2
2.3
2
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。
3
Q
1
I
R
F
9
5
4
0
Q
3
I
R
F
5
4
0
V
c
c
G
N
D
驱
动
输
出
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。
4
Q
1
Q
2
Q
3
Q
4
R
L
V
c
c
V
c
c
G
N
D
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0
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5
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G
N
D
5
.
1
K
R
4
P
W
M
P
W
M
1
P
W
M
2
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，
5
Q
p
2
8
0
5
0
D
Q
n
2
8
5
5
0
D
+
5
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M
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M
M
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H
C
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N
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U
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M
M
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1
3
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2
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M
M
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H
C
1
4
N
P
W
M
P
W
M
P
W
M
1
P
W
M
2
三角波
发生电路
比较器
开 关
放大电路
低 通
滤波器
输出
音频信号输入
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。
ur uc
uof
uo
u
O
uo
Ud
O
-Ud
t
t
2.1.2 三角波发生电路
图6-6
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。
6
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
68kΩ，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 kΩ
5
Rt
4
68
68
5.2
5.1
5.2
5.1
tR
4
8.40
k
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 kΩ,则电容 C3 计算过程如下：
对电容的恒流充电或放电电流为
5.25
R
R
t
Wt
I
5.2
R
t
R
Wt
3
3
则电容两端电压值为
V
CF
1
C
F
T
1
0
dtI
5.2
RC
Wt
(
4
T
1
R
t
3
)
其中 T1 为半周期，T1=T/2=1/2f。 CFV 的最大值为 3V，则代入可得
C
F
5.2
R
t
3
6*)
f
(
R
Wt
185
2.
pF
取 CF=220pF，Rt3=6.8 kΩ, RWt 采用 200 kΩ可调电位器。便于调节发生三角
波的频率为 150kHz。
7
8
4
7
5
6
2
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1
B
N
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5
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3
2
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5
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K
R
t
6
+
5
V
+
5
V
G
N
D
三
角
波
1
0
K
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t
1
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K
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G
N
D
0
.
1
u
F
C
t
2
G
N
D
+
5
V
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。
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=12.8
8
1
2
3
4
5
6
7
8
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2
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