D类音频功率放大器Word文档下载推荐.docx
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（3）全桥结构……………………………………………………………………………（18）
第五章D类功率放大器的单元电路设计……………………………………………（20）
1前置放大电路………………………………………………………………………（20）
2三角波产生电路………………………………………………………………………（20）
3脉冲调制电路…………………………………………………………………………（21）
4驱动控制电路…………………………………………………………………………（22）
5功率输出电路…………………………………………………………………………（22）
6滤波器电路……………………………………………………………………………（23）
7电平指示电路（音量显示电路）………………………………………………………（23）
8供电电源电路…………………………………………………………………………（24）
第六章D类音频功率放大器的整体电路结构及结论………………………………（25）
结论……………………………………………………………………………………（26）
参考文献…………………………………………………………………………………（28）
附录……………………………………………………………………………………（29）
摘要
近几十年来在音频领域中，A类，B类，AB类音频功率放大器（额定输出功率）一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：
所用器件从电子管，晶体管到集成电路过程；
电路组成从单管到推挽过程；
电路形式从变压器到OTL，OCL，BTL形式过程。
其最基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。
A类音频功率放大器的最高工作效率为50%，B类音频功率放大器的最高工作效率为78.5%，AB类音频功率放大器的工作效率则介于两者之间。
但是无论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。
因此A类，B类，AB类音频功率放大器效率低，体积大，并不是人们理想中的音频功率放大器。
在本文中的D类音频功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号（PEM）的控制，使其工作在开关状态，理论上其效率可以达到100%，但其不足之出在于会产生高频干扰及噪声，但是若精心设计低通滤波器及合理的选择元器件参数，其音质噪声完全能够满足人们的需求。
本文中具体论述了一种基于晶体管的D类音频功率放大器的设计组成与实现方法。
关键词：
D类音频功率放大器；
PWM调制器；
H桥功率放大器电路。
第一章引言
全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频节能环保的要求，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。
模拟功率放大器通过采用优质的元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变的很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。
D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，它工作于开关状态下，符合上述的要求。
传统的音频功率放大器工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁，功率输出受到限制。
此外，模拟功率放大器还存在以下的缺点：
电路复杂，成本高。
常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路，体积较大，电路复杂。
效率低，输出功率不可能做的很大。
D类开关音频功率放大器的工作基于PWM模式：
将音频信号与采样频率比较，经过自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波，然后经过驱动电路，加到功率MOS的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的PWM信号送入滤波器，则还原为音频信号。
D类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际的运用也可达80%以上。
功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。
功率MOS有自我保护电路，可以大大简化保护电路，而且不会引入非线形失真。
对于高电感的扬声设备，在设计电路的时候，是可以省去低通滤波器（LPF），这样可以大大的节省体积和花费。
而且有更高的保真度，这一点，在国外的5VD类音频功率放大器中已经得到了运用，如：
TEXAS公司的TPA2002D2。
近几年，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进展，几家著名的研究机构及公司已经试验性地向市场提供了D类音频功率放大器评估模块及技术。
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，电子工业，商业界的特别关注。
不久的将来，D类音频功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。
第二章音响的基础知识
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，声调的高低与声音的物理量“频率”对应。
人耳的听觉范围：
20Hz—20KHz称之为可听声，低于20Hz称为次声，高于20KHz称为超声，人耳对3KHz—4KHz的声音最为敏感。
音色：
又叫做音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功率放大器的偶次谐波多，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音响的结构及参数
前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对各种节目源信号进行选择和处理，对微弱信号将其放大到0.5—1V，进行各种音质控制，以美化音色。
功率放大器，承担放大义务，是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，以推动扬声器发声。
有电压放大和电流放大之分，要求是宏亮而不失真。
3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（γ＜1%）的最大功率成为额定功率，表达式：
，
为负载两端的最大不失真电压，
为额定负载阻抗。
（2）测量条件
信号发生器输出频率为1KHz，电压Ui=20mV的正弦信号。
功率放大器的输出端接额定负载电阻RL（代替扬声器），输入端接Ui，逐渐增大输入电压Ui，直到Uo的波形刚好不出现失真，此时对应的输出电压为最大输出电压。
测量后应迅速减小Ui，以免损坏功率放大器。
（3）频率响应
放大器的电压增益相对于中音频f0（1KHz）的电压增益下降3dB时所对应的低音音频fL和高音音频fH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50%，输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率从20Hz—20KHz（保持
=20mV不变）测量负载电阻上对应的输出电压
。
（4）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）成为灵敏度。
（5）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，用交流电压表测量其有效值。
第三章放大器简介
1放大器的种类
功率放大器按照信号导通角，可分为：
A，B，C和AB类四类，其情况简述如下：
（1）A类放大器
我们省略电路的构造直接从特性曲线来讨论工作状态，见图3-1中左边为晶体管输入特性，固定置偏所形成的工作点在Q点，当正弦音频信号输入时，其幅度未超出线形范围，集电极工作状态处于截止区和饱和点之内，集电极电流为完整的全周导通的正弦波，此时导通角为180度，（导通角是以最小值至最大值之间占全周的部分来计算，全周导通时为180度）。
这种放大状态失真度较小，但是，当无交流输入时，有约一半幅度（Q点）的直流电流，其损耗为
，故效率是最低的，低于50%，所以这种A类功率放大器仅用于很小功率的收音机，助听器中，也有用也高级的Hi—Fi功率放大器中。
图3-1A类音频功率放大器，在输入信号最大时，为了晶体管不截止，而设定VB
（2）B类放大器
图3-2B类音频功率放大器，晶体管截止极限设定VB
如图3-2所示，静态置偏为Q点，处于截止点上，因此信号输入时，只有半周导通（导通角为90度）。
集电极输出半个正弦波。
这种状态失真度就很大了，所以一般乙类放大器都用双管做成推挽式，每个管子工作半周构成完整的正弦波以减少失真。
乙类状态的最大优点是无信号时原则上没有直流电流，因而没有直流功率损耗，效率超过50%，但是由于曲线起始端的非线形，常将推挽放大器的两管均少量正向置偏，其导通角大于半周，故效率不能做得很高达60%～70%，工作介于AB类之间，故又称为AB类功率放大器。
其情况如图3-3，图3-4。
图3-3SEPP电路（在一般的音频功率放大器的输出级经常使用）
图3-4AB类和B类放大器
（3）C类功率放大器
情况如图3-5，
图3-5C类放大器，仅不要导通时间设置VB
静态置偏点在截止点之下，当信号输入时只有超过偏置点部分的管子才能导通，效率更高，但由于失真过大，难用于音频功放，一般多用于高频功放做为陪频器使用，集电极电流呈脉冲状，谐波丰富，再用高Q电路调谐于二次谐波输出完整波形的倍频正弦波。
（4）D类功率放大器
以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功率损耗。
无信号时电流愈大则直流损耗越大，效率越低。
为此，要提高效率则应降低工作点，使无信号输入时，也没有直流损耗。
但是，信号导通角逾小波形的失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求是相矛盾的。
如果输入波形其他边沿很陡峭，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣化不大而效率又可以得到提高。
波形陡峭的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后边沿是垂直升降的，导通状态都不会发生变化，这样就诞生了工作于脉冲放大状态的D类功率放大器。
D类放大器工作于开关状态，无信号输入时无电流，而导通时，没有直流损耗。
事实上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时器件并没有完全短路，尚有一定的管压降，故存在较少直流损耗，效率不能达到100%，实际效率在80%～90%，是实用放大器中效率最高的。
正是由于D类放大器的效率高，100瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，连电路板都可以做的很小，大大减小了体积和重量。
并且由于工作比音频高10余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响会很小。
2D类功率放大器的原理
D类功率放大器的工作过程是：
当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器发声。
当输入PCM数字信号时，数字信号经PCM-PWM转换器，转变成为PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经低通功率滤波器带动扬声器工作。
音频PWM编码可以从两种途径获得，一是对模拟音频信号进行模数变换直接生成PWM数字音频；
二是对其他编码的数字音频，如CD的PCM编码，通过数字信号处理技术变换成PWM音频编码。
CD和DVD碟片上输出的音频信号是数字化的，若采用普通的模拟功放机进行放大，则播放机进行解码后再经过数模变换，变成模拟音频后再送到功放电路中。
而采用数字功放（D类音频功放）后，就可把解码后的PCM数字音频信号直接进入数字信号处理电路处理成PWM码进行放大，省去了播放机中的数模变换和数字功放中的模数变换二个较
贵重部分，这样不但音质受损
少，成本也可降低。
D类功率放大器的电路工
作方式为开关状态，其原理方
块图如图3-6，波形图如图3-7
所示。
从图3-6的结构可知，
两个放大器反相连接，实际
上构成推挽状态，起到开关
的作用去控制与电源串联的
负载回路（RL），低通滤波器
LPF可以滤去脉冲波的高频
部分，得到基波成分，所以
实际上成为数/模（D/A）转
换电路，重新将脉冲波还原
成为弦波。
从电路结构看，
当两支形状短路阻抗为0，
开路阻抗无穷大时，电路的
效率为100%。
因为扬声器是
感性负载，对于高电感的扬
声器如中频扬声器，D类功放
可以不用接低通滤波器，直接与扬声器相联。
图3-7表示如何将正弦波转化为脉冲波，让脉冲波的宽度受正弦波幅度的调制，称为PWM信号，即“脉宽调制”信号。
这里没有应用一般概念的A/D变换电路，而是用一个幅度与放大的正弦信号近似的三角波，共同作为变换器输入，相当于反相比较器。
当三角波幅度大于正弦波幅度部分，变换电路输出“1”；
而三角波幅小于正弦波幅时，变换电路均输出“0”；
这样即将输入的正弦信号变为宽度随正弦信号波幅度变化的PWM波。
D类功率放大器使用的开关管采用功率型MOSFET，即大功率场效应管，并为保证足够的激励电压而设有驱动电路，使FET能充分的开启和关断，其电路结构如图3-8。
图3-8功率输出级结构说明
图3-9是PWM波的频谱，当放大单一的频率正弦波时，其频谱中除低频段存在与输入信号相同频率的基波成分外，还存在各次谐波的频谱。
因此用LPF低通滤波器就可以滤去高频谐波而得到正弦基波成分，因此，可使数模转换电路非常的简化。
图3-9PWM波频谱
由上可知D类功率放大器效率高，发热损耗小，可以降低电源容量，减小体积和自身散热器的体积。
第四章D类放大器的设计
当前的电子器件倾向于便携和小的尺寸，音频功率放大器采用了D类技术，D类功率放大器由于它的高效率，理论上可以达到100%，而受到关注。
D类放大器的输出级是CMOS的功率晶体管组成，提供扬声器负载需要的大量的电流，这些晶体管工作在或者是截止状态，或者是线形区，而不是饱和区，由于晶体管只是工作在周期间的一小部分是激活的，减小了开关的导通损耗。
高的效率也因此成为可能，效率受D类输出级的晶体管的导通电阻（Ron）影响。
图4-1D类音频功率放大器的结构框图
图4-1是D类功率放大器的简单框图，D类音频功率放大器在工作方式上与产生控制PWM电压信号的开关电源相似。
1 一般D类功率放大器的组成情况和分类
图4-2所示为一般的D类音频功率放大器的组成情况，它主要是由PWM波产生电路，功率放大电路，滤波电路和负反馈电路四部分组成。
图4-2一般D类功率放大器的总体结构
D类音频功率放大器根据开关放大器的工作方式不同，又分为两种类型：
（1）电压开关型D类功率放大器：
使放大器工作时，开关上的电压波形为方波。
（2）电流开关型D类功率放大器：
使放大器工作时，开关上的电流波形为方波。
2 各单元电路的作用介绍
（1） 前置放大器
前置放大器是在功率放大器之前而加入的一级放大电路。
其目的是对输入的功率放大器的各种信号源进行加工处理，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其和功率放大器的输入灵敏度相匹配。
对其要保证低噪声，高信噪比，高转换速率，输出电阻要小及频带要宽等要求。
为此在差分输入对管要选用低噪声优质的结型场效应管，运算放大器应选用低噪声，高速器件，电阻电容选用高精度，高稳定度及高质量元件。
（2） 脉冲宽度调制（PWM）电路
PWM调制器也称为脉冲宽度调制器。
该电路的作用是把加在它的输入端的模拟信号变成宽度或者占空比与输入信号成正比的脉冲。
它由三角波产生器（有的公司生产的D类功率放器中使用锯齿波发生器）电压比较器和驱动功率场效应晶体管的栅极驱动电路组成。
三角波产生器是利用恒定电流对一个电容器的充电和放电而形成三角波。
三角波的频率就是D类音频功放的振荡器频率，它是固定的。
脉宽调制电路即PWM控制电路，实质上是一个电压比较器，如图4-3所示。
它的同相端输入前置放大器的输出信号电压，它的反相端输入锯齿波电压。
这两个电压
图4-3图4-4
经比较后，输出与音频信号幅度值成正比的脉宽信号。
在A点以前，音频信号电压大于锯齿波电压，比较器输出高电平（接近Vcc电压）；
在A点以后，B点以前，锯齿波电压高于音频信号电压，则比较器输出低电平；
在B点以后C点以前，音频信号电压又高于锯齿波电压，则比较器输出高电平。
这样，由比较器输出脉冲宽度与音频电压信号幅度成正比的PWM信号。
将音频信号电压，锯齿波电压及比较器输出的PWM信号画在一起如图4-4所示。
由图可以看出，锯齿波的电压幅值是2Vcm；
输出的脉冲宽度与音频信号电压的幅值成正比。
音频信号电压为0时，输出脉冲占空比为100%；
输出脉冲的频率等于锯齿波的频率
脉冲宽度调制电路将直接影响音频功率放大器的性能指标。
对于高频载波三角波，为了减小输出音频信号的非线形失真，要求三角波信号的两个斜边对称且具有高的线形度。
对于载波频率的要求，理论分析表明，载波频率越高，功率放大器的输出高频干扰越容易滤除，输出波形失真也越小；
但功率放大器的开关频率也升高，这将大大的增加开关器件的开关损耗，造成功率放大器的效率下降。
因此，一般载波信号（三角波）的频率和调制信号（取正弦波）的频率满足如下关系：
其中，
为载波信号频率，
为调制信号的频率。
功率放大器的通频带为10KHz，取三角波信号的频率为120KHz。
（3） 三角波发生器
三角波发生器电路采用迟滞过零比较器加反相积分器组成的典型电路结构，为了保证三角波在高频输出信号下的线形度及PWM脉冲信号边沿的陡峭度，运算放大器及电压比较器均采用高速的器件。
（4） 驱动控制电路
对于驱动控制电路的要求一是把PWM信号整形成前后沿更加陡峭的脉冲；
二是能倒相形成PWM和
两个脉冲以满足H桥功率开关管的要求；
三是为防止同一桥臂上两功率管直通，PWM和
两脉冲之间要有一定的死区时间；
四是应具有保护功能，当负载出现过流或短路时，应封锁PWM和
脉冲信号输出。
（5） H桥式功率放大电路（功率输出电路）
功率输出电路通常由两只功率MOSFET管组成，并采用双电源供电，脉冲宽度调制器所输出的两路脉冲信号决定这两只功率MOS-FET管的状态，一路脉冲信号加在MOSFET管vT1的栅极，控制它的状态，另一路脉冲信号加在MOSFET管v的栅极，控制它的状态。
由于两路脉冲信号的极性是相反的，当VT1导通时，VT2截止，电流经过低通滤波器进入负载（扬声器），从接地端流出来；
当ＶT1截止时，VT2导通，进入负载的电流方向相反。
注意，此时负载的一端是接地的。
为了提高输出功率和除去单电源供电时输出信号的直流成分，一些厂家的D
图4-5H桥式功率放大电路典型图
类放大器以BTL方式连接（如图4所示）。
使扬声器两端的直流电压为OV。
在图4中，脉冲宽度调制器输出的两路脉冲信号决定这四只功率MOSFET管的状态，一路脉冲信号（在驱动电路内部分为两路）加在功率MOSFET管VT1和VT2的栅极上．控制VT1和vT2的状态；
另一脉冲信号加在功率MOSFET管vT3和VT4的栅极上．控制VT3和vT4的状态。
由于两路脉冲信号的极性是相反的，当vT1和VT3导通时，vT2和VT4截止，电流经过低通滤波器进入负载；
当VT1和VT3仍截止时。
VT2和VT4导通，电流进入负载。
注意，在BrL方式连接电路中，负载是不接地的。
一般的我们采用H桥式功率放大器。
H桥式功率放大器的简单电路图如图4-5所示。
它由两个N沟道MOSFET及两个P沟道MOSFET，反相器及接在OUT+和OUT-端的负载R组成。
四个MOSFET管及负载连接成“H”的字样，所以成为H型桥式功率放大器。
放大器的输入信号由PWM控制器的输出信号分成两路提供：
一路直接接在左端输入端；
另一路经反相器后接在右端输入端。
两个输入端的相位总是相反的。
如图4-5所示，右端的是同脉宽的负脉冲。
该功率放大器的工作原理如下：
左端输入正脉冲，则右端输入负脉冲（其脉宽相同）。
左边的P沟道MOSFET截止，N沟道MOSFET导通；
与此同时右边的P沟道MOSFET导通，N沟道MOSFET截止。
如果把MOSFFET看作开关，则可画成如图4-5的状态。
电流从Vpcc流经R后流入PGND，电流方向从扬声器右边流向左边其结果如图4-6所示；
当左端输入负脉冲时，则右端输入正脉冲，电流方向从扬声器左边
图4-6图4-7
流向右边，其结果如图4-7所示。
由于负载的电阻阻抗很小，一般为4～8Ω，所以流过R的电流很大，实现了功率放大的目的。
H桥式功率放大器的损耗很小，主要是MOSFET的导通电阻及输出纹波电流。
线性功率放大器的效率一般在50%以下（A类功率放大器），而D类功率放大器效率可达到75%～90%（与负载阻抗大小有关，负载阻抗大时效率更高一些）。
H桥式功率放大器的任务就是把PWM信号中的调制信号解调出来，即开关式功率放大器就是一逆变器电路。
对于逆变器的设计首先要选择开关频率高，导通电阻小的场效应管；
其次应采用H桥式逆变
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