NE5532及LM311在数字功放的运用

游晓容

摘 要：数字功率放大器又简称为D类功放，常用于日常生活中各种电子产品的音乐播放。本论文D类功率放大器是采用NE5532运放及LM311形成自激震荡产生150kHz载波，将输入低频信号调制成等幅脉冲，然后功率放大推对动管，最后通过滤波分离出低频信号。

关键词：D类功放；振荡载波；滤波

1 功放的选择

传统功放主要有A类功放、AB类功放以及B类功放。A类功放主要是小信号进行放大，需要设置偏置电压来稳定电路，因此效率较低。B类功放不是依靠偏置电压进行放大，而是利用当输入信号大于三极管的导通电压时，三极管则导通的原理进行放大。由于输入信号有正负之分，因此需要用2个三极管进行放大。由于当输入信号小于导通电压，即在-0.6V到0.6V的范围内，三极管不能导通，因此不能对输入信号进行放大，存在失真情况，因此提出了AB类功放。AB功放工作时，由于直接对模拟信号进行放大，要求三极管处于线性放大状态，因此需要消散太多功耗，这样也存在弊端。

D类功放克服以上弊端，采用脉冲高低电平控制开关器件导通截止，则输出信号的电压和电流均已被放大，也即功率被放大，所以功率消耗是非常小的。

2 D类功放的工作原理

D类功放的工作原理：首先利用运放自激振荡产生一个高频载波，然后将输入的低频模拟信号经过比较器调制到高频信号。这个调制波是一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号，且频率是随低频信号的幅度变化而变化，这个过程也叫脉冲宽度调制，简称脉宽调制。这个系统一般由比较器构成，输入信号是三角波（载波）和低频信号，两个信号进行比较，如果低频信号大于三角波信号，比较器输出常数，如果是小于，则输出0，因此比较器输出是一系列调制的脉冲宽度调制波，输出的调制波经开关功率放大后经过滤波输出低频信号。

3 原理方框图

4 工作原理简介

4.1 通道选择及显示原理

通道可以分为1通道和2通道。选择电路采用74ls74芯片，它是一种双上升沿D触发器芯片，一共有14个引脚。

由于输入信号是低频模拟音频信号，所以本论文多路选择分配器采用74HC4052芯片。

当D触发器输出端为高电平，数码管显示2，同时信号进入74HC4052第10脚，该芯片数字选择端选择Y1通道信号输入和输出Y1信号，也即选择了通道2。当D触发器输出端为低电平，数码管显示1，同时信号进入74HC4052第10脚，该芯片数字选择端选择Y0通道信号输入和输出Y0信号，也即选择了通道1。

4.2 载波产生电路

本文中采用的载波为三角波，频率为170kHz。该载波的作用是将输入的模拟低频信号调制到高频上，形成调制波。

该电路采用NE5532运放及电压比较器LM311形成自激振荡而产生。

在设置电路参数时需要注意的是：芯片均是 5V电源供电，运放可以采用10kΩ电阻进行分压，使电压分压为 2.5V，同时要求设置好参数使载波输出的幅度为 3V。

4.3 比较器电路

本文中电路选用LM311芯片。该芯片供电电压为5V，为了获得V+=V-=2.5V 的静态电位，4个电阻阻值取 10kΩ。由于载波Vp-p=3V，因此需要音频信号的Vp-p≤4V，否则会造成功放失真。

该部分作为调制器电路，把原始输入的音频信号通过通道选择、放大、加直流偏置后输入到运放LM311的2 脚正输入端，通过自激振荡电路生成一个三角形载波输入到比较器LM311的3脚负输入端。当2脚正端上的电压大于3脚负端上的电压，输出得到高电平，反之则得到低电平。当没有输入信号时，直流偏置的电压值为三角波峰值的一半，此时比较器输出为方波。当有音频信号输入且是正半周時，比较器输出高电平的时间大于低电平时间，方波的占空比大于二分之一；负半周时，比较器正输入端的电压大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于二分之一。因此比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形。这样低频音频信息就被调制到脉冲波形中。波形如图二。

4.4 驱动电路以及功放电路

驱动电路采用IR2110全桥驱动。功放电路采用D类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。

4.5 低通滤波器

150kHz的载波，采用四阶LC 滤波器。作用是从PWM波形中分离出低频信号。工作原理：当占空比大于二分之一的脉冲到来时，电容的充电时间大于放电时间，输出电平升高；窄脉冲到来时，电容的放电时间大于充电时间，输出电平降低，正好与原音频信号的幅度变化一致，从而使得原音频信号被分离出来。

5 结束语

利用NE5532及LM311运放设计数字功放，通过制作PCB板并焊接、调试并实现相应功能，音质较好，因此是一款比较实用的数字功放。

该电路设计与制作适用于对模电、数电掌握较好，且具有一定设计基础的学生，该实验会使他们对电子技术掌握得更好。