我們知道，功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類、丁類(即D類)和戊類等多種工作方式。為了提高功率和效率，一般的方法是降低三極管的靜態工作點及由甲類到乙類，甚至到丙類。甲類、乙類、甲乙類的工作效率均低于78.5%，丙類效率高于78.5%，但丙類放大器只適用于高頻窄帶放大，而作為低頻功放的D類放大器理想效率最高能到100%。

D類功率放大器是用音頻信號的幅度去線性調制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作在高頻開關狀態，通過LC低通濾波器后輸出音頻信號。由于輸出管工作在開關狀態，故具有極高的效率，實際電路效率也可達到80%一95%。D 類功放的調制方式有很多種，最常用的是脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，簡稱 PWM)方法。

其具體實現方法為將輸入波形與一個固定載頻的三角波信號進行比較，波形的全部信息被調制在 PWM 信號的寬度變化中。經過開關放大和低通濾波后，可以恢復出原始的輸入波形信息。在理想情況下，D 類功放的效率為 100%，考慮到晶體管的消耗，D 類功放的效率仍要高于其它類型的功放。

利用三角波發生器及比較器分別采用通用集成電路，便于各部分分別實現，方便調試，且能與后面電路使用同一電源輸出，實現題目所述要求。將音頻信號放大后再與三角波經比較器比較后實現PWM調制。將SPWM波變為四路互補的驅動信號使用，以便獲得更大電流驅動后續電路。

一、系統方案

本系統主要由前置放大模塊、三角波模塊、比較器模塊、橋電路模塊、驅動電路模塊、濾波電路模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1、前置放大模塊的論證與選擇

1.1.1芯片選用芯片比較

方案一：采用TLC4502高級 LinEPIC 自校準精密雙路運算放大器TLC4501和TLC4502是當今可用的最高精度CMOS單電源軌到軌運算放大器。輸入失調電壓為10個UV典型值和40個UV最大值。這種特殊的精度與4.7MHz帶寬、2.5V/US轉換速率和50mA輸出驅動器相結合。

方案二：采用NE5532雙路低噪聲高速音頻運算放大器NE5532、NE5532A、SA5532和SA5532A器件是高性能運算放大器，具有出色的DC和AC特性。它們具有極低的噪聲、高的輸出驅動能力、高的單位增益和最大輸出擺幅帶寬、低失真、高壓擺率、輸入保護二極管和輸出短路保護。這些運算放大器在內部補償單位增益操作。這些器件規定了等效輸入噪聲電壓的最大限制。

通過比較，我們選擇方案二， 采用NE5532雙路低噪聲高速音頻運算放大器，相比于TLC4502，NE5532的成本稍微低，而且能保證較低的失真。

1.1.2滑動變阻器的選擇

方案一：采用504 bourns電位器，電阻阻值可調范圍很大，最低阻值較高。

方案二：采用203 bourns電位器 電阻阻值可調范圍的值較大，最低阻值比較高。

方案三：采用104 bourns電位器 對于變化的阻值不高，是精確度有所提高綜合以上三種方案，選擇方案三。

二、三角波模塊的論證與選擇

2.1.1芯片選用芯片比較

方案一：采用ICL8038 精密波形發生器ICL8038的波形發生器是一個用最少的外部元件就能生產高精度正弦,方形,三角,?鋸齒波和脈沖波形徹底單片集成電路.?頻率(或重復頻率)?的選定從0.001hz到300khz可以選用電阻器或電容器來調節,?調頻及掃描可以由同一個外部電壓完成.?ICL8038精密函數發生器是采用肖特基勢壘二極管等先進工藝制成的單片集成電路芯片，輸出由溫度和電源變化范圍廣而決定.?這個芯片和鎖相回路作用，?具有在發生溫度變化時產生低的頻率漂移，最大不超過250ppm/℃。

方案二：采用NE5532雙路低噪聲高速音頻運算放大器NE5532、NE5532A、SA5532和SA5532A器件是高性能運算放大器，具有出色的DC和AC特性。它們具有極低的噪聲、高的輸出驅動能力、高的單位增益和最大輸出擺幅帶寬、低失真、高壓擺率、輸入保護二極管和輸出短路保護。這些運算放大器在內部補償單位增益操作。這些器件規定了等效輸入噪聲電壓的最大限制。

通過比較，我們選擇方案二， 采用NE5532雙路低噪聲高速音頻運算放大器，相比于ICL8038，NE5532的成本較低，所需的電路布局相對簡單，調試相對多引腳的芯片容易，在性能上雙方都有較強的防止失真的能力。雖然ICL8038 的精確度可能更高，但是NE5532芯片使用的電路布局是單電源電路，而ICL8038有一個重要的問題是需要雙電源進行供電與輸入，又因為整個電路是單電源的供電，如果使用ICL8038需要一個新的電路實現雙電源與單電源的轉換，所以為了降低成本與電路圖的復雜性，我們選擇了NE5532芯片。

3、比較器模塊論證與選擇

3.1.1電路布局選擇

方案一: pwm電路PWM是脈沖寬度調制，也就是占空比可變的脈沖波形. 它是通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。

方案二: spwm電路SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM，就是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規律排列，這樣輸出波形經過適當的濾波可以做到正弦波輸出。

綜合考慮，我們選擇方案二，因為spwm的輸出方法按照正弦規律的方法進行排布，能使功率放大更加明顯。

4、橋電路模塊論證與選擇

方案一：單橋電路為防止柵極開路或柵極損壞時主電路加電損壞器件, 本電路在柵源間并聯一個10k電阻。

方案二：全橋電路全橋驅動需要4路互補的PWM波，全橋的功率可以做得更大，效率更高。綜合考慮， 由于前面的三家波電路沒有使用高精度的電路，這次我們選擇功率更大的全橋電路。

四、系統理論分析與計算

1、三角波產生電路分析

(1)三角波也稱鋸齒波，是指主要用在CRT作顯示器件的掃描電路中的波形。根據模擬電路理論，ICL 8038 是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調整個別的外部元件就能產生從 0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調頻信號輸入端, 所以可以用來對低頻信號進行頻率調制。

(2)方案選擇

方案一：由文氏橋振蕩產生一個正弦波信號。把文氏橋產生的正弦波通過一個過零比較器從而把正弦波轉換成方波。把方波信號通過一個積分器。轉換成三角波。

方案二：由滯回比較器和積分器構成方波三角波產生電路。然后通過低通濾波把三角波轉換成正弦波信號，再通方案三。

方案三：由比較器和積分器構成方波三角波產生電路。用折線法把三角波轉換成正弦波，再通過一個過零比較器從而把正弦波轉換成方波。過一個過零比較器從而把正弦波轉換成方波。

(3) 計算

為了對降低濾波器的要求，要求三角載波頻率較高，但是三角載波頻率過高會增加MOS管的損耗，此題三角波頻率為200KHZ。

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2、前置放大的計算

前置放大器的作用是將輸出的信號混合放大，此次使用的是同相加法器，由于話筒的輸入信號一般只有5mV左右，通過話音放大器不失真地放大聲音信號，其輸入阻抗應遠大于話筒的輸出阻抗。

驅動的計算 將PWM信號整形變換成互補對稱的輸出驅動信號，再此選擇開關型三極管減小其損耗功率，驅動后方H橋對稱輸出電路，同時保證了前后級之間的良好隔離，以便快速驅動。形成四路互補的驅動信號。

三、電路設計

1、電路的設計

(1)電路總體框圖電路總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

(2)子電路原理圖

A. 三角波產生器子系統框圖與子電路原理圖

圖2 三角波產生器子系統框

B. 前置放大子系統框圖與電路原理圖

圖3 前置放大子系統框圖

C. 比較器子系統框圖與電路原理圖

圖4 比較器子系統框圖

D. 驅動子系統框圖與電路原理圖

圖5 驅動子系統框圖

E. 全橋子系統框圖與電路原理圖

圖6 全橋子系統框圖

F.低通濾波子系統框圖與電路原理圖

圖7 低通濾波子系統框圖

四、測試方案與測試結果

1、測試方案

(1)硬件測試我們首先在面包板上預留了一些電容的插槽，通過這種方式來改變電容大小從而調整頻率，來使傳輸效率達到最大化。同時利用多用數字表來測量線圈電感大小。對前置放大電路進行調試，輸入的正弦信號可以達到要求。對三角波電路進行調試，可以產生200kHz的三角波。將調制好的三角信號和正弦信號通過比較器能夠得到SPWM波。將電路全部連接好后開始調試全橋和驅動電路，通過給全橋電路提供12V的直流電源，經過二階濾波可以產生一個放大的正弦信號。

2、測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數字毫伏表，模擬示波器，數字示波器，數字萬用表，指針式萬用表。

3、測試結果及分析

(1)測試結果(數據)12V檔信號測試結果好下表所示：

(2)測試分析與結論根據上述測試數據，輸入正弦信號幅度為 100mV，頻率 20Hz-20kHz，輸出信號波形較接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真，符合題目要求由此可以得出以下結論：

A 輸入正弦信號峰峰值為 100mV，頻率 1kHz，輸出電壓波形應盡量接 近正弦波，用示波器觀察無明顯失真;

B 輸入正弦信號峰峰值為 100mV，頻率 1kHz，電路能正常實現功率放 大功能;

C 輸入正弦信號峰峰值為 100mV，頻率 1kHz，輸出功率大于等于 1W;

D 在滿足上述要求下，放大器的效率達到 90%以上;

E 輸入正弦信號峰峰值為 100mV，頻率為 20Hz。