基于LM311电压比较器的D类功放

一、设计名称：基于LM311电压比较器的D类功放二、设计说明本设计采用PWM调制技术，通过对音频信号的PWM调制，驱动电力MOS管（IRF630/IRF9630），实现音频信号的放大。在末级放大电路及滤波电路中，采用H桥结构，使音频信号在放大后能较好地保真。载波信号基于TL082构成的三角波电路及其放大电路音频信号前级放大同样基于TL082构成的放大电路PWM调制基于LM311，实现了音频信号的PWM调制本设计主要有四个功能模块组成：载波信号产生、音频前级处理、PWM调制、末级放大滤波模块图如下三、电路说明设计电路图载波信号音频前级处理PWM调制末级放大滤波1、载波信号产生电路（1）三角波产生电路电路原理图：如图，三角波产生电路由方波产生电路和积分电路构成。由于该三角波将作为载波信号，音频信号一般在20hz到10Khz，所以载波最低频率应该高于50Khz。才能较好地完成对音频的载波功能。参数计算：T=（4*R1*R3*C）/R2f=R2/(4*R1*R3*C)由于要求频率在50Khz以上，所以图一选择C为0.1uf，R2取10K电位器，R1取500欧，R3取200欧，频率从0~250Khz可调，这样就能使载波信号频率达到要求（2）三角波放大电路：由于频率太高，而TL082采用+5(-5)V供电，所以三角波产生电路产生的三角波幅值一般低于1V，必须经过放大，增加其幅值，使其能承载音频信号。在此级放大电路中，放大倍数太小，幅值不够，不能载波，放大倍数太大，三角波失真又会很明显。所以在此级放大中采用电位器根据需要调节放大倍数。R6采用1K，R^1采用100K电位器，基于TL082构成负反馈放大回路，可实现0~100倍可调图二用电容C2与下级电路耦合，可滤除直流分量，以便实现PWM双极性调制载波信号产生电路仿真图及相关波形图三在仿真中的频率达到50KHZ时，三角波发生电路输出的三角波幅值就只有0.4V左右，而经过放大，在保持较好三角波特性的基础上，幅值可达到10V以上。2.音频信号前级放大电路由于音频信号一般只有0.1mV左右，如果直接送入电压比较电路，与5V左右的三角波载波信号进行电压比较，很难得到理想的PWM调制信号。所以需先将音频信号进行放大，然后再送入LM311进行电压比较，实现PWM调制。如图，C3消除杂波，用TL082构成的放大电路进行电压放大，选取R’’1为1K，R’’3为50K，则该放大电路可实现51倍放大，由于采用正反馈，所以不改变音频信号方向，实现音频信号的保真放大。再采用R^2实现对音频信号输入量的调节，即可控制音量的大小，又可选择一个较好的幅值作为电压比较器的输入信号，更好地实现PWM调制。在于后级电路的连接中，采用电容耦合，去除寄生的直流分量和一些杂波。3.信号PWM调制信号调制是D类功放的关键部分，为了达到调制频率的要求，选用频率响应很高的LM311作为电压比较器。通过LM311比较三角波与音频信号，实现信号的PWM调制。将音频信号转化为脉冲信号，作为MOSFET管的控制信号，控制IRF630与IRF9630的开关，对音频信号实现放大，并能够保证滤波后保真地恢复音频信号。4.末级放大及滤波电路放大电路中，由于采用PWM调制，电力MOSFET管的开关响应速度必须特别快，实现快速关断和快速打开，这样才能保证信号和音频调制信号一致。通过比较选择了IRF630和IRF9630这对对管，这对电力MOS管的ton为9ns，完全可以满足开关速度的要求，实现音频调制信号的保真放大，而且，电压可由0~20V，电压选择宽。耐压值可达600V，使用相对安全。采样控制理论中的面积等效原理（冲量相等而形状不同的窄脉冲加载具有惯性环节上时，其效果基本相同），所以音频信号经PWM调制后，音频效果基本不变。只要经过末级滤波电路，滤除其中载入的高频信号，即能恢复保真放大的输入音频信号。为了达到滤波要求，提高滤波质量，所以采用H桥滤波电路。这样不仅可以减小温漂，而且可以获得较好的滤波效果。电容电感值计算：四、调试过程：1、载波信号部分调试在调试前级电路时，只接通VCC1(5V)、-VCC1(-5V)，同时为了避免高频影响，影响调试结果。先将载波用的三角波频率调低，先看能不能产生三角波电路。由于f=R^2/(4*R1*R3*C)R^2又采用10K电位器，所以调低R^2的阻值。将R^2调为500欧左右，用示波器观察三角波。测到三角波后，暂时不上调R2阻值，防止在调试音频前级放大部分时，三角波高频载波信号对音频输入信号产生干扰。在调试时，为了防止三角波放大后电压值过大，在三角波调试前，先把R^1电位器调为R6的阻值，使三角波处在不放大工作状态，以保证后级电路的安全。2、音频信号前级放大部分调试先调低电位器R^3，保证后级输入电压不会太高。然后接入音频信号，观察输出端，看音频信号能否正常放大。能正常放大后，调节R^3的阻值，选择适当的音频信号幅值。同时调节电位器R^2的阻值，调高三角波频率，使三角波频率达到100Khz左右，再调节R^1的阻值，提高三角波放大倍数，使三角波幅值比音频信号的幅值高一些，达到载波的要求。3、PWM调制部分调试调节好了载波信号和音频信号后，接通电源VCC2(12V)、-VCC2（-12V），观察PWM信号能否正常输出，如果能正常输出PWM调制信号，进入下一级电路调试。4、放大及末级滤波部分调试为了保证IRF630和IRF9630的安全，在前级电路调试成功前，电力MOSFET管都没焊接上去。前级调试成功后，再将功率管焊上去。电路连接完成后，接通电源，用示波器观察水泥电阻两端能否出现正常的音频放大信号。如果出现，调试完成。如果波形不正确，用示波器观察MOS管输出的是否是放大的PWM调制信号，如果是，则调节L、C的值，使滤波电路满足滤波要求。五、设计心得六、参考文献《全国电子设计大赛解析·2002年》《模拟电子技术》第四版（化成应童诗白主编）《电力电子技术》第4版机械工业出版社电子爱好者网站附录一：印制电路：附录二：各元器件主要参数：IRF630参数LM311参数TL082参数