NE555與LM393實現脈寬調製的D類功放

　　D類數字功放的基本原理是正弦脈寬調製（SPWM），要實現D類功放必須具備以下條件：

　　（1）要有一個三角波或鋸齒波發生器，通常稱為載波;

　　（2）要有一個電壓比較器，並將音頻信號（通常稱為調製波）和三角波信號在比較器中進行比較，這一過程也稱為脈。調製;

　　（3）三角波的頻率要遠遠高於正弦波的頻率，三角波的幅度要大於正弦波的幅度;

　　（4）要有一個驅動電路和一個合適的功率開關輸出電路。

　　一、脈寬調製電路

　　正弦脈寬調製（SPWM）的原理如圖1所示。

　

圖 1

　　正弦脈寬調製使用一隻比較器，調製音頻正弦波加至比較器的同相輸入端，載波三角波加至比較器反相輸入端（兩個信號也可以反過來輸入）;當滿足上述條件（3）時，比較器輸出正弦脈寬調製（S戶一WM）脈衝。

　　本文比較器選用雙電壓比較器LM393，LM393的引腳見圖2。

　　
圖2

　　三角載波選至NE555方波振蕩器的振蕩電容，有關NE555方波振蕩器的設計請參考有關文獻。則調製電路主要由時基電路NE555和電壓比較器電路LM393組成。下面以實際電路為例加以詳細說明。

　　二、由時基電路NE555和電壓比較器LM393調製的OCL輸出D類功放電路

OCL輸出形式的D類功放電路見圖3。

　
圖3

　　由圖3可知，OCL輸出的D類功放電路是一種半橋輸出電路，它由前述的調製電路、驅動電路舊2304、功率場效應管及濾波電路等組成。

　　1）NE555振蕩器

圖中NE555接成多諧振蕩器，利用其振蕩電容上的三角波作為調製電路的載波。由於R1=R2，所以振蕩電容CZ上的波形為正三角波，其振蕩頻率為：

　　f=1.44/（R1+R2）*C

　　當R1=R2=36K、C2=200P時，f=100KHz。實際NE555的最高工作頻率可以高達500K日z，但是，由於驅動電路IR2304的最高頻率為110KHz，所以選擇NE555的振蕩頻率為100KHz。

　　電路的其它參數：R3一R8=3K，LM393的3腳、5腳都偏置在1/2VCC上，C1=0.01u、C3=0.1u，D1=iN4148，DZ=FR107。

　　正弦調製波經C3加至比較器LM393的同相輸入端3腳，其3腳直流偏直電壓為1/2VCC=6V，則比較器同相輸入端的調製信號為：

　　V+=6V+Uimsinwt三角波由NE555的6腳和2腳輸出，加至LM393的反相輸入端2腳;其SPWM調製波形見圖4。

　　
圖4

　　由於三角波的峰一峰值在1/3VCC一2/3VCC之l』ed（當VCC=1ZV時，在4V一8V之間），所以，根據上述正弦脈寬調製的條件，調製正弦波應該要加在直流（SV+4V）/2=6V上，其幅值也應低於三角波;由波形圖可知兩種波形有一些相交點，當正弦波的幅度大於三角波的幅度時，比較器輸出端1腳輸出高電平，反之輸出低電平，輸出頻率沒變，但脈寬（佔空比）發生了變化，而且是按輸入正弦規律變化，輸出的SPWM波形既包含了輸入信號的頻率信息，又包含了輸入信號的幅度信息，還包含了信號的相位信息，經輸出濾波後還原的就是不失真的輸入音頻信號。由波形圖還可知，在電源電壓12V時，輸入信號幅值可高達2V.

　　2）LM393電壓比較器

　　LM393內含2個獨立的電壓比較器，每個電壓比較器類似於一個增益不可調的運算放大器。其主要特點為：1、失調電壓小於2mv;2、電源電壓範圍為2一36V或士1一18V;3、對比較信號的內阻限制較寬;4、共模範圍寬;5、差動輸入電壓範圍大;6、開路輸出，輸出電平可靈活選擇。

　　由於LM393的輸出級是開路輸出的，所以，比較器Al輸出1腳接一個上拉電阻R1。比較器A2作為反相器使用，其同相輸入端5腳由R7、R8兩隻阻值相同的電阻分壓為1左電源電壓，當A1輸出高電平時，A2輸出低電平;當A1輸出低電平時，A2輸出高電平;則，A2輸出7腳與A1輸出1腳互補，A2輸出7腳由R8上拉。

　
圖5

　
圖6

　　3）場效應管柵極驅動電路
R2304場效應管柵極驅動電路選擇R2304，其引腳及內部框圖如圖5、圖6所示。IR2304是輸入高有效並具有100ns死區的場效應管或IGBT專用柵極驅動電路，每一晶片可以驅動一個橋臂，其高位管的驅動電源是由其內部自舉實現的。關於死區的概念說明如下：由於功率開關的關閉時間一般都比較長，而較長的可能使輸出橋臂的高位管和低位管同時導通，即產生所謂的直通故障;為了克服可能發生的直通故障，一般將橋臂高、低位兩隻開關管的驅動脈衝前沿後移一段時間，從而避開兩管同時導通的時間，這一後移的時間就叫「死區」Td。死區Td的設置原則是：Td=開關管的Toff一Ton。如果開關管選用IRF840，驅動晶片R2304的死區是可以滿足要求的。

　　4）功率開關及濾波電路

　　功率開關管採用2隻功率場效應管，一般可選用IRF840，IRF840是具有寄生反向二極體的閃溝道功率場效應管，參數為：500V/8A/RD=0.75歐，濾波電路採用LC低通濾波，L可選56uh，C選0.47uF。

　　三、BTL輸出的數字功放電路

　　BTL輸出的數字功放電路見圖7。

　　
圖7

　　圖7電路與圖3電路的區別是輸出為BTL形式，也就是全橋輸出電路，驅動電路使用了2片IR2304並使用了4隻功率場效應管。電路的工作過程如下：當A1輸出高電平時，IR2304（1）的2腳和IR2304②的1腳輸入高電平，則，高端管Q1和低端管Q4被觸發，Q1、Q4導通，電流流向為：VDD—Q1—L1一C6—C7一L2—Q4一地

　　四、結束語

　　這種使用NE555與LM393實現脈寬調製的D類功率放大器，其輸出功率、效率、失真等主要指標可與專業的D類功放晶片媲美，電路使用通用元器件、造價低製作容易、無需調整、輸出功率可自行選擇和設計，非常適合業餘製作。

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