NE555与LM393实现脉宽调制的D类功放

功率放大器电路图

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描述

  D类数字功放的基本原理是正弦脉宽调制(SPWM),要实现D类功放必须具备以下条件:

  (1)要有一个三角波或锯齿波发生器,通常称为载波;

  (2)要有一个电压比较器,并将音频信号(通常称为调制波)和三角波信号在比较器中进行比较,这一过程也称为脉。调制;

  (3)三角波的频率要远远高于正弦波的频率,三角波的幅度要大于正弦波的幅度;

  (4)要有一个驱动电路和一个合适的功率开关输出电路。

  一、脉宽调制电路

  正弦脉宽调制(SPWM)的原理如图1所示。

 

图 1

  正弦脉宽调制使用一只比较器,调制音频正弦波加至比较器的同相输入端,载波三角波加至比较器反相输入端(两个信号也可以反过来输入);当满足上述条件(3)时,比较器输出正弦脉宽调制(S户一WM)脉冲。

  本文比较器选用双电压比较器LM393,LM393的引脚见图2。

  
图2

  三角载波选至NE555方波振荡器的振荡电容,有关NE555方波振荡器的设计请参考有关文献。则调制电路主要由时基电路NE555和电压比较器电路LM393组成。下面以实际电路为例加以详细说明。

  二、由时基电路NE555和电压比较器LM393调制的OCL输出D类功放电路

OCL输出形式的D类功放电路见图3。

 NE555
图3

  由图3可知,OCL输出的D类功放电路是一种半桥输出电路,它由前述的调制电路、驱动电路旧2304、功率场效应管及滤波电路等组成。

  1)NE555振荡器

图中NE555接成多谐振荡器,利用其振荡电容上的三角波作为调制电路的载波。由于R1=R2,所以振荡电容CZ上的波形为正三角波,其振荡频率为:

  f=1.44/(R1+R2)*C

  当R1=R2=36K、C2=200P时,f=100KHz。实际NE555的最高工作频率可以高达500K日z,但是,由于驱动电路IR2304的最高频率为110KHz,所以选择NE555的振荡频率为100KHz。

  电路的其它参数:R3一R8=3K,LM393的3脚、5脚都偏置在1/2VCC上,C1=0.01u、C3=0.1u,D1=iN4148,DZ=FR107。

  正弦调制波经C3加至比较器LM393的同相输入端3脚,其3脚直流偏直电压为1/2VCC=6V,则比较器同相输入端的调制信号为:

  V+=6V+Uimsinwt三角波由NE555的6脚和2脚输出,加至LM393的反相输入端2脚;其SPWM调制波形见图4。

  NE555
图4

  由于三角波的峰一峰值在1/3VCC一2/3VCC之l’ed(当VCC=1ZV时,在4V一8V之间),所以,根据上述正弦脉宽调制的条件,调制正弦波应该要加在直流(SV+4V)/2=6V上,其幅值也应低于三角波;由波形图可知两种波形有一些相交点,当正弦波的幅度大于三角波的幅度时,比较器输出端1脚输出高电平,反之输出低电平,输出频率没变,但脉宽(占空比)发生了变化,而且是按输入正弦规律变化,输出的SPWM波形既包含了输入信号的频率信息,又包含了输入信号的幅度信息,还包含了信号的相位信息,经输出滤波后还原的就是不失真的输入音频信号。由波形图还可知,在电源电压12V时,输入信号幅值可高达2V.

  2)LM393电压比较器

  LM393内含2个独立的电压比较器,每个电压比较器类似于一个增益不可调的运算放大器。其主要特点为:1、失调电压小于2mv;2、电源电压范围为2一36V或士1一18V;3、对比较信号的内阻限制较宽;4、共模范围宽;5、差动输入电压范围大;6、开路输出,输出电平可灵活选择。

  由于LM393的输出级是开路输出的,所以,比较器Al输出1脚接一个上拉电阻R1。比较器A2作为反相器使用,其同相输入端5脚由R7、R8两只阻值相同的电阻分压为1左电源电压,当A1输出高电平时,A2输出低电平;当A1输出低电平时,A2输出高电平;则,A2输出7脚与A1输出1脚互补,A2输出7脚由R8上拉。

 
图5

 
图6

  3)场效应管栅极驱动电路
R2304场效应管栅极驱动电路选择R2304,其引脚及内部框图如图5、图6所示。IR2304是输入高有效并具有100ns死区的场效应管或IGBT专用栅极驱动电路,每一芯片可以驱动一个桥臂,其高位管的驱动电源是由其内部自举实现的。关于死区的概念说明如下:由于功率开关的关闭时间一般都比较长,而较长的可能使输出桥臂的高位管和低位管同时导通,即产生所谓的直通故障;为了克服可能发生的直通故障,一般将桥臂高、低位两只开关管的驱动脉冲前沿后移一段时间,从而避开两管同时导通的时间,这一后移的时间就叫“死区”Td。死区Td的设置原则是:Td=开关管的Toff一Ton。如果开关管选用IRF840,驱动芯片R2304的死区是可以满足要求的。

  4)功率开关及滤波电路

  功率开关管采用2只功率场效应管,一般可选用IRF840,IRF840是具有寄生反向二极管的闪沟道功率场效应管,参数为:500V/8A/RD=0.75欧,滤波电路采用LC低通滤波,L可选56uh,C选0.47uF。

  三、BTL输出的数字功放电路

  BTL输出的数字功放电路见图7。

  NE555
图7

  图7电路与图3电路的区别是输出为BTL形式,也就是全桥输出电路,驱动电路使用了2片IR2304并使用了4只功率场效应管。电路的工作过程如下:当A1输出高电平时,IR2304(1)的2脚和IR2304②的1脚输入高电平,则,高端管Q1和低端管Q4被触发,Q1、Q4导通,电流流向为:VDD—Q1—L1一C6—C7一L2—Q4一地

  四、结束语

  这种使用NE555与LM393实现脉宽调制的D类功率放大器,其输出功率、效率、失真等主要指标可与专业的D类功放芯片媲美,电路使用通用元器件、造价低制作容易、无需调整、输出功率可自行选择和设计,非常适合业余制作。

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