基于D类的数字功率放大器设计毕业设计论文.docx

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基于D类的数字功率放大器设计毕业设计论文

毕业设计论文

基于D类的数字功率放大器设计

摘要

音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分，并且广泛应用于消费类电子产品中。

我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地，音频功放的需求日益增加，因此研究音频功率放大器具有非常重要的意义。

随着科学技术的不断发展，尤其是集成电路技术的发展，高速、大功率器件已越来越多，移动电话、数字媒体技术、平面电视、便携式数字产品等电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，人们对音频功率放大器的要求更加趋向于高效、节能和小型化。

因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效、节能、发热量少、体积小、便于集成。

传统的模拟音频功率放大器虽然具有很高的保真度，但是却存在功耗高、效率低等致命缺点，而且发热量大，不易解决散热问题。

而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，所以功放的效率很高。

与传统的AB类音频功率放大器相比，数字D类音频功放最大的优势在于具有高效率，实际转换效率能达到80％以上，理论转换效率可以达到100%。

因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积。

在这个能源节约的时代，凭借其高效率、低功耗的特点，数字D类音频功放正逐渐取代传统的模拟音频功率放大器，并越来越受到人们的重视。

本文论述了各种音频功率放大器的工作原理以及各自的性能特点，重点阐述了D类音频功率放大器的工作原理和脉宽调制工作原理，并在此基础上设计一款大功率输出、低功耗数字音频D类功率放大器。

关键词：

音频功率放大器；D类；脉宽调制

Abstract

AudiopoweramplifierisanimportantpartofPIC（PowerIntegratedcircuits）whichiswidelyusedinconsumerelectronicproducts，andChinaisthemostimportantmarketofconsumerproductsandthebiggestworldmanufacturecenteroftheconsumerproducts．Welaunchareachonaudiopoweramplifier．

Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,especiallythedevelopmentofintegratedcircuittechnology,highspeedandhighpowerdeviceshavemoreandmore,mobilephones,digitalmediatechnology,flat-screenTV,aportableelectronicproductssuchasdigitalproductisportabletothin,rapiddevelopment,audiopoweramplifierswilltendtobehighlyeffective,energy-savingandminiaturization.Becausemobiledevicesaffectedbythebatterycapacity,thermal,volumerestrictionsonaudiopoweramplifierrequiresefficient,energy-saving,lowcalorificvalue,smallsize,easeofintegration.

Traditionalanalogaudiopoweramplifieralthoughwithhighfidelity,butthereisahighpowerconsumption,lowefficiencyandsofatalflaws,andgetsveryhot,noteasytosolve.Andclass-damplifiersduetoworkonoroff,ascontrolcomponentsoftransistoritselflowerpowerconsumption,poweramplifierisveryefficient.UnliketraditionalclassABaudiopoweramplifiers,digitalclassDaudiopoweramplifier'sbiggestadvantageisthatyouhaveahighefficiency,theactualconversionefficiencycanreach80percent,andtheoreticalconversionefficiencycanreachupto100%.Soitcangreatlyreducetheenergyconsumption,reduceamplifiervolume.Intheenergy-savingstime,withitshighefficiency,lowpowerconsumptioncharacteristicsofClassDdigitalaudioamplifierisgraduallyreplacingtraditionalanalogaudiopoweramplifiers,andmoreandmoreattention.Thisarticlediscussestheworkingprincipleofaudiopoweramplifiersandtheirperformancecharacteristics,focusesontheclassDaudiopoweramplifieroftheworkingprincipleandprincipleofpulsewidthmodulation,andonthisbasis,designsahighpoweroutput,lowpowerconsumptionClassDdigitalaudioamplifiers.

Keywords：

Audiopoweramplifier；Dclass；pulsewidthmodulation

引言

随着现代电子技术的不断发展，集成电路被广泛应用于各类电子电路中。

随着近十几年来半导体技术的进步，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。

音频功率放大电路是原理上最为基本、应用上最为广泛的功率放大电路。

目前大部分音响系统中的功放都是模拟类型，传统的模拟功放按放大器的工作状态可分为：

A类、B类、AB类等形式。

A类、AB类功放是音响系统中最为常用的功放。

传统类音频放大器的一个共同缺点是效率很低，A类音频放大器的理论效率是25％，实际效率大约为15-20％；B类音频放大器的理论最大效率是78.5％；AB类音频放大器的理论效率75％，实际效率在50-70％之间。

无论A类，B类还是AB类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言、音乐时平均工作效率只有30％左右。

音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。

在半导体设计潮流走向轻薄短小之际，不仅半导体组件本身的封装要小，整个模块的尺寸也变成决定系统客户接受与否的关键规格。

全球音视频领域的数字化浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、易于与数字化设备接口的音频功率放大器。

D类数字音频放大器就是在这样的背景下兴起的。

D类数字音频功率放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM（PulseCodeModulation，脉冲编码调制）数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通／断音频功率放大器，也称为开关放大器。

由于其开关管工作于开关状态，因此具有高效率、低功耗等优点。

目前，D类音频功率放大器在移动电话、平面电视、LCD显示器以及各种以电池供电的便携式游戏设备等消费类电子产品中已获得广泛的应用。

在手机、PDA、MP3Player等应用中，以D类取代AB类放大器的趋势便已相当明显。

数字音频功放的概念早在20世纪60年代已被提出，但由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。

1983年，M．B．Sandier等学者提出了D类放大的PCM数字音频功放的基本结构，主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM。

1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字音频功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器一数字音频功率放大器进入了工程应用领域，并获得了世界同行的广泛认可，市场日益扩大，数字音频功率放大器已经成为近年来的研究热点之一。

1绪论

1.1课题背景

随着半导体及微电子制造技术的不断发展，高速、大功率器件已越来越多，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，人们对音频功率放大器的要求更加趋向于高效、节能和小型化。

因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效、节能、发热量少、体积小、便于集成。

普通功放发热量大，不易解决散热问题。

而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，功放的效率就高，可达到90％以上，因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积。

所以D类音频功率放大器越来越受到人们的重视。

高效率D类音频放大器正越来越多地被用在移动电话、智能电话、PDA及其他类似便携式应用中，以取代AB类放大器。

采用D类放大器可延长电池供电终端产品的工作时间，并产生更少的热量，从而解决设备的热设计问题。

在手机、DVD播放机、笔记本电脑及游戏机等便携式设备中集成音频，已经发展到这样一个程度，即设计人员正面临着如下考验：

一方面需要将MP3及流媒体等越来越多的特性集成到上述终端设备中，另一方面又必须保持或减少整体功率预算。

这导致采用很多新的产品技术，例如采用D类音频功率放大器。

这些放大器可使设计人员节省电池电量，因为D类放大器比传统AB类（或线性）放大器具有更高的效率。

近年来国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子、商业界的特别关注。

不久的将来，D类音频功率放大器必将取代传统的模拟音频功率放大器。

D类功率放大器的显著特点是其输出级的工作状态不是完全导通，就是完全截止，输出器件功耗大大降低。

D类功率放大器的输出级只是瞬间通过一下线性区域，而大部分时间不是停留在饱和区就是截止区，上管饱和则下管截止，或者相反。

输出信号比输入信号变得更正或者更负，也就是输入信号被大大地放大了。

在常规的晶体管放大器中，输出级上的晶体管需要提供时刻连续的输出电流。

音响系统可以采用的多种实现形式包括A类、AB类和B类等，与D类功率放大器相比，这些电路中即使是效率最高的线性输出级，其功率的耗散也很大。

这一差异反衬出，D类功率放大器在许多应用方面具有显著的优势，因为其较小的功率耗散意味着更低的发热量、电路板空间及成本的节省和便携式系统的电池工作时间的延长等。

早些时候晶体管、集成电路的开关特性差，不能满足D类音频功率放大器的技术要求，因此对D类音频功率放大器的研究开发有相当的困难，研究开发仅停留在理论上。

随着金属．氧化物．半导体场效应管（MOSFET）的出现，其开关特性很好，工作效率高，开关速度快，管压降小，功耗低，适合用于D类音频功率放大器的研究开发。

近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的MOSFET也已用得很普遍，该管开关特性、导通饱和压降和截止漏电流特性都大大改善，应用到音频开关放大器上，能大大提高其可靠性和保真度。

故D类放大器在便携式设备上的应用具有很大的优势，受到许多开发商的青睐。

1.2国内外研究现状

有关D类功放的理论提出已有近半个世纪。

在1970年，MOSFET出现后才投入实际性开发。

早期的主要缺点是失真度高，后来在控制芯片和功率器件模块化后性能有所提高，才得以投放市场。

全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频设备节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。

它应该具有工作效率高，便于与其他数字设备相连接的特点。

D类音频功率放大器符合上述要求。

历史上出现过三代D类放大器设计：

第一代是由托卡塔设计的TacTMillennium，证实了D类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。

第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM（脉冲宽度调制）信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。

这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。

但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器，从而获得了一定的应用。

第三代是最近一段时间，现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善，他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。

为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。

通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。

最后还不能忽视新的架构技术。

2音响的相关知识

2.1声音的基本特性

音量：

它与声波的物理量“振幅"有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听音的主观感觉。

音调：

是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调高低与声音的物理量“频率"对应。

人耳的听觉范围：

20Hz到20KHz称之为可听声音，低与20Hz称为次声，高于20KHZ的称为超声，人耳对3K左右的声音最敏感。

音色：

又叫音品和音质，他是由声音的波形决定的，电子管功放的偶次谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳，清丽。

2.2放大器的技术指标

（1）额定功率

音响放大器输出失真度小于某一数值的最大功率称为额定功率，表达式：

。

为负载两端的最大不失真电压，

为额定负载阻抗。

测量条件如下：

信号发生器输出频率为1KHz，电压

=20mV正弦信号。

功率放大器的输出端接额定负载电阻

（代替扬声器），输入端接

，逐渐增大输入电压

，直到

的波形刚好不出现谐波失真（r<1％），此时对应的输出电压为最大输出电压。

测量后应迅速减小

，以免损坏功率放大器。

（2）频率响应

放大器的电压增益对于中音频

（1KHz）的电压增益下降3dB时所对应的低音音频

和高音音频

称为放大器的频率响应。

测量条件如下：

调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的一半，输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率

从20Hz到20KHz变化，测出负载电阻上对应的输出电压

。

（3）输入灵敏度

使音响放大器输入额定功率时所需要的输入电压（有效值）称为灵敏度。

（4）噪声电压

使输入为零时，输出负载

上的电压称为噪声电压。

测量：

使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载的电压波形，用交流表来测量其有效值。

2.3功率放大器的分类

2.3.1A类功放

A类放大器也称为甲类放大器，静态工作点选在负载线的中间，在输入信号的整个周期内电流连续地流过所有输出器件，工作期间不产生开关失真和交越失真，处于良好的线性工作状态。

但电路效率较低，功率输出管的发热量很大，电路的安全性和可靠性设计存在问题。

在理想情况下，A类放大电路的效率最高只能达到50％。

当然，这类放大器只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种优质的线性放大器，具有良好的声音表现能力。

A类放大器结构可称为压控电流源模型（VCCS：

VoltageControlledCurrentSource），本质上是一个单独的源极跟随器。

简化电路图如图2-1所示。

图2-1A类放大器原理图

A类放大器的工作偏置点如图2-2所示，在一个完整的信号周期中，A类放大器的功率晶体管一直处于线性放大状态，即导通角为

=180°（在一个信号周期内，导通角度的一半定义为导通角）。

A类放大器的偏置电流大于输入电流，Q点（静态偏置点）处于负载线的中心。

输出负载的平均功率为：

电源输入功率为：

工作效率为：

图2-2A类放大器的固定偏置点

由上式可见，当

且

时，A类放大器具有最大工作效率，为25％。

由于A类放大器效率较低，在实际应用中，当输入信号功率大于1W时，一般不采用A类放大器。

A类放大器的优点是线性度最好，失真最小。

A类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无信号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流电在最大信号情况下流入负载。

当无信号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。

当信号趋向正极时，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。

A类功放的工作方式具有最佳的线性度，每个输出晶体管均放大信号全波，完全不存在交越失真（SwitchingDistortion），即使不使用负反馈，它的开环失真仍十分低，因此被称为声音最理想的放大线路设计。

但这种设计有利有弊，A类功放最大的缺点是效率低，因为无信号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。

当信号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。

A类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。

A类功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A类功放必须采用大型散热器。

因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。

一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。

所以A类功放的体积和重量都比AB类大，这使得制造成本增加，售价也较贵。

一般而言，A类功放的售价约为同等功率AB类功放的两倍或更多。

A类放大器的主要特点是：

放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。

放大器可单管工作，也可以推挽工作。

由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。

电路简单，调试方便。

但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25％，且有较大的非线性失真。

由于效率比较低，现在设计基本上不再使用。

2.3.2B类功放

B类放大器也称为乙类放大器，其中功率器件导通时间不再是输入信号的整个周期，而是半个周期。

在没有信号输入时，功率损失为零。

工作原理就是把A类放大器静态工作点Q下移，使输入信号为零时电源输出的功率也等于零；输入信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给功率和管耗都随着输出功率的大小而改变，也就改善了A类放大时效率低的状况，完全输出理论值为78．5％。

其简化电路如图2-3所示。

图2-3B类放大器原理图

B类放大器是一种互补式输出结构，两个晶体管不能同时工作，每个晶体管工作半个周期，导通角

=90°，其工作偏置点如图2-4所示。

设输出信号为

，可得输出负载的平均功率

为：

电源输入功率为：

图2-4B类放大器的固定偏置点

工作效率为：

由上式子可见，当

时，B类放大器具有最大工作效率，为：

可见，B类放大器的最大工作效率大于A类放大器，其晶体管的静态偏置电流为零。

B类放大器拓扑结构没有DC偏置电流，所以功耗大大减少。

其输出晶体管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流。

由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。

B类功放的工作方式是当无信号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。

当有信号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此造成非线性。

但是B类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差（交越失真），由于在信号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。

B类功放的效率平均约为75％，产生的热量较A类功放低，容许使用较小的散热器。

2.3.3AB类功放

与前两类功放相比，AB类功放可以说是在性能上的妥协。

AB类放大器是A类放大器和B类放大器的组合折衷，它也使用DC偏置电流，但它远小于单纯的A类放大器。

小的DC偏置电流足以防止交越失真，从而能提供良好的音质。

其功耗介于A类放大器和B类放大器之间，但通常更接近于B类放大器。

晶体管工作时间大于半个周期但小于一个周期，即导通角在90°到180°之间。

大部分时间只有一个晶体管工作，在零交越点时，两个晶体管都工作。

AB类放大器的最大优点是改善了B类放大器的非线性，消除了交越失真。

图2-5AB类放大器原理图

图2-6AB类放大器的固定偏置点

如图2-5所示，AB类放大器通过两个偏置电压来避免交越失真。

由于这一优点，AB类放大器在传统的音频放大器中得到了广泛应用。

工作偏置点如图2-6所示，当输入信号为零时，由于此时两个晶体管仍然处于导通状态，因此每一个晶体管的功率损耗均大于B类放大器，即AB类放大器的最大工作效率小于B类放大器，但大于A类放大器。

与B类放大器电路类似，AB类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。

遗憾的是，即使是精心设计的AB类放大器也有很大的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。

由于漏源极之间的电压降很大，所以会产生很大的瞬时功耗IDS

VDS。

AB类功放通常有两个偏压，在无信号时也有少量电流通过输出晶体管。

它在信号小时用A类工作模式，获得最佳线性，当信号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。

普通机10瓦的AB类功放大约在5瓦以内用A类工作，由于聆听音乐时所需要的功率只有几瓦，因此AB类功放在大部分时间是用A类功放工作模式，只有在出现音乐瞬态强音时才转为B类。

这种设计可以获得优良的音质并提高效率减少热量，是一种颇为合乎逻辑的设计。

有些AB类功放将偏置电流调得很高，令其在更宽的功率范围内以A类工作，使声音接近纯A类机，但产生的热量也相对增加。

2.3.4C类功放

C类功放的原理图如图2-7所示，

是负载，电感L和电容C是匹配网络，它们与负载共同组成并联谐振回路。

通过调节电容C，使回路谐振在输入信号频率上。

图2-7C类放大器原理图

在C类功放中，栅极的偏压使得晶体管在小于一半的时间内导通。

因此，漏极电流是由周期性的一串脉冲构成的。

当驱动信号足够强时，晶体管会进入饱和导通状态，输出与输入信号同频率的脉冲信号，晶体管以信号频率对电源进行导通和关断，输出信号相对于输入信号会产生严重的失真，因为包含了输入信号的很多谐波成分，必须通过滤波器从输出信号中分离出输入频率；另一方面，C类功率放大器能通过调整导通角，来获得所需的谐波成分。

C类功放的实际效率可以达到60％-80％。

其工作偏置点如图2-8所示。

图2-8C类放大器的固定偏置点

2.3.5D类功放

通过控制