D类放大的高效率音频功率放大器设计研究

3．3 双路比较器电路(PWM波产生电路)

双路比较器电路采用低功耗、可单电源工作的双路比较器芯片LM393构成。此处为提高系统效率，减少后级H桥中CMOS管不必要的开合，用两路偏置不同的三角波分别与音频信号的上半部和下半部进行比较，产生两路相互对应的PWM波信号给后级驱动电路进行处理，双路比较波形图如图3所示。此处值得注意的是将上半部比较处理为音频信号接比较器的负向端、三角波信号接正向端；下半部比较则相反，这样形成相互对应，在音频信号的半部形成相应PWM波时，另半部为低电平，可保征后级H桥中的CMOS管没有不必要的开合，以减少系统功率损耗。利用电位器将上半部比较三角波偏置调至3 V，下半部比较三角波偏置调至2 V。还需注意，三角波信号应比需比较范围内的音频信号幅度稍大一些，且偏置调节要较准确，以防音频信号某些点比较不到，后续滤波还原原信号时产生失真。


3. 4 H桥互补对称输出电路(后加四阶巴特沃斯滤波)

H桥互补对称电路如图4。采用低导通电阻、开关速率快、受温度影响小的场效应对管IRF9540和IRF540组成互补推挽放大电路。运用对称输出方式，充分利用电源电压，浮动输出载波峰峰值量大可达10 V，有效地提高了输出功率。

经H轿互补对称电路放大后的两路信号分别通过一四阶巴特沃斯滤波器低通滤波，从而滤去高频载波，得出放大后的音频信号加在8 Ω负载两端。滤波器上线截止频率约为20 kHz，通频带内特性平坦，效果较好。注意此处应选择大功率电感，否则会对信号幅值有削减作用，不能达到较高功率。

3. 5 短路保护模块

短路保护电路如图5。将一0．1Ω小电阻接入系统中，与8 Ω负载电阻串联，通过对采样电阻两端取样电压进行放大，而后再与设定的基准电压进行比较从而控制功效部分的供断电，起到保护作用。放大部分采用芯片NE5532构成减法放大器，放大的同时可将电阻两端的双端信号变为单端信号，放大器放大倍数为：

经过放大后的信号经过由D1、C1、R5组成的峰值检波部分，检出信号幅度值送至比较器与设定的基准电压进行比较。比较器选用低功耗、响应速度较快的双路比较芯片LM393。比较器负端用稳压管D6及C3、R7设置为5．1V，比较器接成迟滞比较方式，一旦过流，即可自锁。此时比较器输出的高电平使三极管T1导通，继电器的地控制端与地联通，继电器吸合，切断功放部分的供电，达到保护目的。因比较器自锁，所以在解决过流问题后，关断保护模块的电源，才能重新进入保护状态。D2、D3、R6、C2组成开机延时电路，在断电后，C2通过D2快速放电，防止开始瞬间C2上的残余电压对3号脚影响，防止比较器在非正常状态下进入自锁状态，使保护模块不能发挥正常作用。

3. 6 功率测量及显示电路(有效值检波及AD转换电路)

功率测量电路采用真有效值检波芯片AD637检出信号真有效值，再经12位串行接口、20kHz采样率AD芯片ADS1286采样后邀至FPGA内由程序进行处理，计算出功率并显示。如图6所示。

输入缀用OPA604构成一射极跟随器已达到隔离前后级的作用。改变平均电容的值可设定平均时间常数，并决定低频准确度、输出波纹的大小和稳定时间。交流波纹分量可以用增大此电容的值来减少，但这样会使建立时间增大，所以选择用后接一个二阶有源低通滤波器的方法来减少输出的纹波。得出真有效值后直接给入ADS1286进行模数转换，再由FPGA处理，计算出系统的输出功率并进行显示。

4 系统软件的设计

根据题目要求，要实现对系统功率的测量和显示功能，硬件上采用8位CPU AT89S52，通过C51编程实现。单片机圭要完成对ADS1286的控制、采入数据、计算功率和送显示的功能。而FPGA(采用Atera公司的Cyclone系列的EP1C6QC240)则作为一个总线控制器，对液晶和A／D与单片机之间的数据交换进行管理。采用VerilogHDL语言在Quartus9．1的环境下编程实现。

5 测试方法和结果

5．1 测试仪器

15 MHz函数信号发生器 型号：Agilent33120A

数字示波器 型号：Tektronix TDS 1002，双通道，60 MHz

直流电源 型号：SG173SB3，稳压稳流型

四位半数字多用表 型号：Fluke 45 dual display multimeter

5．2 测试方案及结果分折

1)功率显示误差测量 用Agilent信号源给出输入音频信号，示波器在单端输出测试点测负载上电压峰值Vo，据式计算出实际功率，进而计算出显示误差，结果见表1所示。

从表中数据可知，系统功率显示模块具有4位数字显示，精度优于5％，且误差较小。

2)噪声 用Agilent信号源给出输入音频信号(保证信号频率20 kHz以下)，用0.1μF电容进行输入端对地交流短路，用示波器在输出端测量噪声大小。此时测得噪声为2．96mV。

3)效率测量 用直流电源对功放电路单独供电，以便测试效率。供电电压+5 V。用与测通频带相同的方法给出给出输入信号，用示波器观察输出信号幅值，调整输出为200 mW及500 mW，将四位半数字多用表串入放大器电路中，测出电路电流I。根据式计算出功率放大器效率，结果见表2所示。