NE555与LM393实现脉宽调制的D类功放

　　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）要有一个驱动威廉希尔官方网站 和一个合适的功率开关输出威廉希尔官方网站 。

　　一、脉宽调制威廉希尔官方网站

　　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。则调制威廉希尔官方网站 主要由时基威廉希尔官方网站 NE555和电压比较器威廉希尔官方网站 LM393组成。下面以实际威廉希尔官方网站 为例加以详细说明。

　　二、由时基威廉希尔官方网站 NE555和电压比较器LM393调制的OCL输出D类功放威廉希尔官方网站

OCL输出形式的D类功放威廉希尔官方网站 见图3。

　
图3

　　由图3可知，OCL输出的D类功放威廉希尔官方网站 是一种半桥输出威廉希尔官方网站 ，它由前述的调制威廉希尔官方网站 、驱动威廉希尔官方网站 旧2304、功率场效应管及滤波威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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，由于驱动威廉希尔官方网站 IR2304的最高频率为110KHz，所以选择NE555的振荡频率为100KHz。

　　威廉希尔官方网站 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。

　　
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）场效应管栅极驱动威廉希尔官方网站
R2304场效应管栅极驱动威廉希尔官方网站 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专用栅极驱动威廉希尔官方网站 ，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）功率开关及滤波威廉希尔官方网站

　　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，滤波威廉希尔官方网站 采用LC低通滤波，L可选56uh，C选0.47uF。

　　三、BTL输出的数字功放威廉希尔官方网站

　　BTL输出的数字功放威廉希尔官方网站 见图7。

　　
图7

　　图7威廉希尔官方网站 与图3威廉希尔官方网站 的区别是输出为BTL形式，也就是全桥输出威廉希尔官方网站 ，驱动威廉希尔官方网站 使用了2片IR2304并使用了4只功率场效应管。威廉希尔官方网站 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，威廉希尔官方网站 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。