一种自激振荡差分全桥D类音频功率放大器

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一种自激振荡差分全桥D类音频功率放大器

量子隧道2015/03/08电子技术 IP:北京

本电路为作者首创。还可能会发在Diyaudio和hifidiy等论坛上。欢迎基于兴趣爱好目的的仿制。若有商用需求，请事先通过本论坛咨询本人。
引言
放大电路根据晶体管工作点，可分为A，B，AB，C，D等类别。
最早的是A类，后来出现了AB，B类等线性放大器。
C，D类一般是非线性放大，一般用于射频电路。
近些年，出于节能减排和便携性的需要，D类放大器，采用脉宽调制或脉冲密度调制等方式，用于音频，这些设计渐渐多了起来。
在脉宽调制式D类放大器中，近年来出现了一种子类型，叫做自激震荡式D类（self oscillation class D），是一种非常巧妙的设计，把放大器做成了一个高频振荡器，电路简洁高效，失真小，获得了小众电子爱好者的追捧。
以上为引言。楼下继续介绍自激震荡D类放大器，作为本设计的铺垫。

[修改于 9年10个月前 - 2015/03/11 22:31:21]

+1 学术分

虎哥 2015/03/14 支持基础电路创新。

来自：电子信息 / 电子技术

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~~空空如也

量子隧道

作者

9年10个月前修改于 9年10个月前 IP:北京

754857

1楼

背景
自激震荡式D类功率放大器有大致几种结构：
1，迟滞比较器型
相信研究过施密特触发器或者三角波发生器的都能看明白这种结构。
2，相移振荡器型
一般用RC构成文氏桥或级联移相器。在相移达到180度的频点构成正反馈，形成振荡。
3，UCD型
这是一种特殊的相移振荡器。D类功放的输出LC滤波器被包含在了移相环节之中。

下面3张图分别是这3种自激振荡D类放大器的原理简图。

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量子隧道

作者

9年10个月前修改于 9年10个月前 IP:北京

754858

2楼

UCD型相移振荡器原理简介
UCD型振荡器是本设计的基础，故这里重点对其进行简介。
粗看起来，这是一个负反馈电路，似乎无法振荡。其实在某个频点上是可以构成正反馈的。
1，输出LC滤波器，当工作频率远大于谐振频率时，带来接近180度相位延迟。
2，放大器电路的延迟会带来正比于频率的相位延迟。
3，超前反馈网络Clead会带来一定的相位超前。
综合这3点，在某个频点会带来180度相位延迟。当180度延迟的信号注入负输入端，即可构成振荡条件。调整Clead和delay，可以调整振荡频率。

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量子隧道

作者

9年10个月前修改于 9年10个月前 IP:北京

754859

3楼

本设计（自激振荡差分全桥D类放大器）
UCD振荡器以其简洁巧妙征服了我。我尝试把它的参数设计出来并实现之。不过以我一贯的追求，简单地原样复制原理图，计算参数，显得逼格不够。必须有所创新才行。
UCD是个单端自激振荡电路，输出是半桥结构。需要正负电源。在便携式设备中，往往需要简化电源，单电源最好。把UCD原理改造成BTL桥式结构，能够解决这个问题。
本设计原理如下图。

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量子隧道

作者

9年10个月前修改于 9年10个月前 IP:北京

754860

4楼

本设计（续）
比较器LM393的输出经过一对差分对差分对管S9015，转成互补输出，驱动两个半桥驱动器IR2101，进一步驱动4个MOS管。
两个半桥处于互补工作状态，即互为反相。
mos管的输出经过LC滤波后，一方面输出，一方面经过反馈RC网络反馈回比较器的输入。
比较器的输入是音频信号与反馈信号的线性叠加。音频信号可以改变比较器的过零点，进而改变振荡的占空比，经输出滤波后就得到了放大的音频。

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量子隧道

作者

9年10个月前修改于 9年10个月前 IP:北京

754861

5楼

实现与测试
PCB图和元件值如下面两图所示。整个电路布于10cm*6cm的双层电路板上。电路效率非常高，在24V工作电压下，MOS管不需要散热器。此电路增益为约30倍。需要一个24V至少4A的电源。支持差分或单端输入。

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lmkopqqaa

9年10个月前 IP:湖北

755214

6楼

每天一顶顶出电路为止

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量子隧道

作者

9年10个月前 IP:北京

755549

7楼

实测（续）
输出波形图如下图所示。这是输入20khz音频下的输出。
第一图是大信号下，PWM波形和输出波形。可看到脉宽调制效果。
第二图是小信号下的输出波形。可看到载波没有完全滤除干净。不过载波频率在200khz之上，人耳无法听到。
输入1khz正弦波，用示波器采集输出波形，送到matlab做fft（傅立叶）变换，可以看出各个谐波的相对幅度，进而得到失真。
本电路，当输出滤波电感选用某黄环磁芯电感时，电感发热巨大，实测失真见第三图，大约在千分之几量级。当选用某罐状磁芯功率电感时，不发热，失真低至无法测出，此处略。

Waveform-20kHz@220nF-68uH-carrier230kHz.bmp

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量子隧道

作者

9年10个月前 IP:北京

755553

8楼

最后补一张喜闻乐见的实物图

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量子隧道

作者

9年10个月前 IP:北京

755555

9楼

为了看起来更像论文，最后上参考文献。
芯片手册也在参考文献之列，不再上传，有兴趣的话请自行到网上下载。

A Universal Grammar of Class D Amplification.pdf 2.85MB PDF 486次下载预览

Self OSC D ANP AES118BP.pdf 452.76KB PDF 443次下载预览

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lmkopqqaa

9年10个月前修改于 9年10个月前 IP:湖北

755558

10楼

LM393部分实在看不清无法仿制期待楼主附件发电路的高清大图另自激回路没看出来。。。。。

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量子隧道

作者

9年10个月前 IP:北京

755693

11楼

这回清楚了吗？

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mkjreal

9年10个月前 IP:浙江

755696

12楼

不需要负电源然后器件多一半挺好的

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量子隧道

作者

9年10个月前 IP:未同步

755741

13楼

引用 mkjreal:
不需要负电源然后器件多一半挺好的

兄弟你有所不知，便携式设备其实是不好用双电源的。
退一步说，即使假设用双电源很容易，全桥式电路也能在同样的输出功率下，对mos管耐压的要求降低一半。
而且这个电路多出来的器件其实不多，就俩mos管几个LC器件而已。

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WZB616

2年11个月前 IP:广东

899516

14楼

挖挖几年前的帖子先，楼主思路不错。

D类功放用单电源要好很多，电源电路设计简单，BTL形式理论上可以做到很大功率，并且对MOS耐压要求不高

我现在也在研究D类功放，不同的是我是用一个频率发生器发出方波后RC积分电路转换为三角波再进行调制，载波频率可以做到需要多少就多少，取决于MOS管的静态电流，而非使用反馈的方法。

底噪方面目前可以做到几乎与AB类功放一样，非常安静。

输出电感可以做到不用，对音质无影响，不伤害到喇叭。

音质方面，低频比AB类强很多，高音就差一点点，载波频率越高高音越好，但静态功耗也相应加大，鱼和熊掌不好选择啊。

喇叭输出线的辐射很严重，郁闷

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量子隧道

作者

2年11个月前 IP:广东

899541

15楼

引用WZB616发表于14楼的内容

挖挖几年前的帖子先，楼主思路不错。D类功放用单电源要好很多，电源电路设计简单，BTL形式理论上可以做...

你看我贴的参考文献中有一篇“A Universal Grammar of Class D Amplification”，里边宝藏很多，值得细品。

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WZB616

2年11个月前 IP:广东

899542

16楼

引用量子隧道发表于15楼的内容

你看我贴的参考文献中有一篇“A Universal Grammar of Class D Ampli...

都看了，基本都是自激振荡工作的，输出需要电感滤波。看看下面这个资料，我已经变成现实了，缺点还是存在的，但音质很不错

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WZB616

2年11个月前 IP:广东

899543

17楼

原理是输入的音频信号先差分为正反相信号后再与三角波对比输出到驱动电路至MOS管

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量子隧道

作者

2年11个月前 IP:广东

899639

18楼

引用WZB616发表于16楼的内容

都看了，基本都是自激振荡工作的，输出需要电感滤波。看看下面这个资料，我已经变成现实了，缺点还是存在的...

你说的这些就是那个文献中P11-13的“Three-state PWM (class BD)”

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WZB616

2年11个月前 IP:广东

899687

19楼

引用量子隧道发表于18楼的内容

你说的这些就是那个文献中P11-13的“Three-state PWM (class BD)”

参考了很多资料，感觉还是你这种结构简单，能否提供详细资料？

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WZB616

2年11个月前 IP:广东

899689

20楼

引用量子隧道发表于18楼的内容

你说的这些就是那个文献中P11-13的“Three-state PWM (class BD)”

原理上你这种效果应该不差，能否提供详细点资料，我试试效果

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长贵

2年11个月前修改于 2年10个月前 IP:北京

900106

21楼

问题解决了，谢谢。

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