D-luokan vahvistimen suunnittelu

Abstract

Insinöörityössä on tutkittu ajastinpiirin 555 mahdollisuuksia D-luokan audiovahvistin käytössä. Musiikin kuuntelussa käytettävä toistoalue on 20 Hz - 20 kHz. D-luokan audiovahvistin pyrittiin suunnittelemaan audioalueelle piirin antamien mahdollisuuksien mukaan.

D-luokan vahvistimen toiminta perustuu pulssinleveysmodulointiin (PWM), jossa moduloidusta kanttiaallosta suodatetaan vahvistuksen jälkeen korkeammat taajuuskomponentit pois. Modulointi on toteutettu kytkemällä ajastinpiiri astabiiliksi multivibraattoriksi, joka antaa ulos kanttiaaltoa. Kanttiaallon pulssinleveyttä on moduloitu ohjausnastaan tuodulla vahvistettavalla signaalilla.

Mittauksissa vahvistimen hyötysuhdetta ja tehoa testattiin erijännitteisillä pääteasteilla kuorman tehonkeston sallimissa rajoissa. Särömittauksissa tutkittiin spektrianalysaattorin avulla signaalin säröytymistä eri taajuusalueilla eri amplitudisilla ohjausjännitteillä. Särön suuruus vaihteli mittauksissa 0,01 - 0,8 % riippuen taajuudesta sekä ohjausjännitteen suuruudesta. Mitattujen säröarvojen keskiarvo oli noin 0,21 %. D-luokan vahvistimen hyötysuhde vaihteli 30 - 78 % riippuen ohjaus- ja pääteastejännitteen suuruudesta. Puolisillasta saatava efektiivinen teho on 60 V:n pääteasteella noin 4,8 W 3,2 V:n ohjauksella. 4 V:n ohjauksella ulostuloteho on arviolta luokkaa 8 W.

The purpose of this thesis was to examine the 555 timer circuit as part of class-D audio amplifier. Bandwidth of the amplifier was designed to frequency range 20 Hz to 20 kHz, which is the range for human hearing.

The operation of class-D amplifier is based on pulse width modulation (PWM). The modulated square wave is filtered to remove any higher frequency components by using LC-filters. Modulation is implemented by connecting a timer circuit connected as astable multivibrator that gives out the square wave. The square wave pulse width modulation is controlled by signal in 555 timer circuits control pin. This control signal can be amplified which will have effect on width of the pulse.

Amplifier efficiency and power were measured at various terminal voltage levels in the limits of maximum power dissipation of the load. Class-D amplifier efficiency varied from 30 to 78 % depending on the amplitude of control signal, and the amplitude of output signal in output stage. Distortion measurements were carried out using a spectrum analyzer. Signal distortion in different frequency bands for different amplitude control voltages was also measured. Distortion measurement results ranged from 0.01 - 0.8 % depending on the frequency and control voltage. Power was measured to be 4.8 W with supply voltage of 60 V and with 3.2 Vpp control signal. With control signal peak to peak voltage of 4 V, power was estimated to be about 8 W.