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D类功放设计论文
长沙航空职业技术学院
毕业论文
D类功放的设计与分析
姓名：
陈剑
专业：
电子声像
指导老师：
戴鼎鹏
2010-12-5
摘要:
本论文首先分析了各类音频功率放大器的工作原理及自然特点，重点阐述了D类功率放大器的工作原理及和脉宽调制方案。
D类功放采用脉宽调制技术来提高功放的效率，利用占空因数，建立了分析功放效率的数学模型；详细描述了D类功放的三角波发生器、比较器、H–桥的电路设计；列出了在设计中的注意事项。
不仅保证了功放的高效性，而且具有良好的音质效果。
关键词：
功放；脉宽调制；高效；音质
Abstract:
OnthebasisoftheanalysisofoperatingprinciplesandperformancecharacteristicsofvariousPAsdescriptionofPWMandoperatingprincipleofclass-DaudioPas.
InClassDPowerAmplifier,pulsewidthmodulationtechnologyisusedtoenhanceitsefficiency.Theadvantageofdutycycleisusedtobuildthemathematicalmodelforanalyzingefficiency.ThreecircuitsofClassDPowerAmplifier:
trianglewaveoscillator,comparator,H-bridgearepresented.Someimportantmethodsaregiven.Thetechnologyimprovedthesoundqualityatthesametime.
Keywords:
poweramplification;pulsewidthmodulation;highefficiency;soundquality
第一章音频放大器的概述
1.1音频放大电路的回顾和展望
随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国CROWN公司的MA-5000VZA功放，其最大输出功率可达4000W/8Ω（桥接，单通道）；完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作，使得生产者可作3年免维护的保证；插入可编程的输入处理模块USP3；可对1~2000台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。
各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高，可与电子管功放媲美。
晶体管功放具有许多宝贵优点，它的失真低于万分之一，但其音质听感总不如电子管功放那么逼真，细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐，弦乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。
20世纪80年代初，欧洲有些专业公司开始研究晶体管功放与电子管功放之间的性能差异及解决办法。
电子管是一种电压控制器件，需要的控制功率极微，开关速率很快。
晶体管是一种电流控制器件，需有较大的控制电流，转换速率较慢，这是最基本的差别。
80年代中期欧洲首先推出了采用MOSFET音频场效应管功放。
MOSFET场效应晶体管既具有晶体管的基本优点。
但使用不久发现这种功放的可靠性不高（无法外电路保护），开关速度提高得不多和最大输出功率仅为150W/8Ω等。
90年代初，MOSFET的制造技术有了很大突破，出现了一种高速MOSFET大功率开关场效应晶体管。
西班牙艺格公司（ECLER）经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的SPM专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两者优点结合的第3代功放产品，在欧洲市场上获得了认可，并逐步在世界上得到了应用。
第3代MOSFET功放的中频和高频音质接近电子管功放，但低频的柔和度比晶体管功放差一些，此外MOSFET开关场效应管容易被输出和输入过载损坏。
数字功放的概念早在20世纪60年代就有人提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。
1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字功放的基本结构。
主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM（脉冲调宽信号）。
美国Tripass公司设计了改进的D类数字功放，取名为“T”类功1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器，数字功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放。
1.11音频功率放大电路的简介
音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。
然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。
主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。
为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。
进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。
从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。
陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。
所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的，都希望能够有较长的使用寿命。
就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。
它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。
高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。
因为，功率越大，效率也就越重要。
而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。
在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。
这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。
1.12音频放大器分类
长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于A类（甲类）和AB类（甲乙类）。
其原因在于过去只有电子管这样的器件，B类（乙类）电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。
所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的A类（甲类）。
随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。
就放大器的类别而言，已不限于A类（甲类）和AB类（甲乙类）。
这里将各种类别的放大器简介如下。
不过需要指出，就目前来说用于音频功率放大器的工作类别，A类（甲类）、AB类（甲乙类）和B类（乙类）这三类放大器仍覆盖着半导体放大器的绝大多数。
1.A类（甲类）放大器
A类（甲类）放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。
这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。
A类放大器在结构上，还有两类不同的工作方式。
其中一类是将两个射极跟随器相联工作，其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过，而不使任一器件截止。
这一措施的最大优点是它不会突然地耗尽输出电流，如果负载阻抗低于标定值，放大器会短期出现截止现象，在失真上可能略有增加，但不致出现直感上的严重缺陷。
另一类可称作为控制电流源型（VCIS），它本质上是一个单独的射极跟随器，并带有一个有源发射极负载，以达到合适的电流泄放。
这一类作为输出级时，需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。
2、B类（乙类）放大器
B类（乙类）放大器，是指器件导通时间为50％的一种工作类别。
这类放大器可以说是最为流行的一种放大器，也许目前所生产的放大器有99％是属于这一类。
由于大家比较熟悉，这里不作详细介绍。
3、AB类[甲乙类）放大器
AB类（甲乙类）放大器，实际上是A类（甲类）和B类（乙类）的结合，每个器件的导通时间在50—100％之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。
该类放大器的偏置按B类（乙类）设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类（甲乙类）。
AB类（甲乙类）放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类（甲类）；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。
这样在AB类（甲乙类）状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类（甲类）或B类（乙类）。
不过笔者认为，它的正当使用在于它对A类（甲类）的补充，且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。
4、C类（丙类）放大器
C类（丙类）放大器，是指器件导通时间小于50％的工作类别。
这类放大器，一般用于射频放大，很难找到用于音频放大的实例。
5、D类（丁类）放大器
这类放大器，其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制（PWM），其效率在理论上来说是很高的。
但是，实际困难还是非常大的，因为200kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚；从失真的角度来看，为保证采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声器之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要4个电感（考虑立体声），成本自然不会低。
此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。
6、E类（戊类）放大器
这类放大器，是一个极端聪明的半导体技术应用，它在几乎所有工作时间内，通过的电压或电流是较小的，亦即功率耗散很低。
遗憾的是，它仅用于射频技术，而不用于音频。
7、简介D类放大器的工作原理
可能读者都早就熟悉了A类、B类、AB类和C类放大器，其实所有这些放大器的区别只是在于静态工作点的选择。
A类放大器具有最大的静态工作电流，也就是它在没有输入信号的时候也会消耗电流，因而显然它的效率是最低的。
但是，只要选择合适的工作点，它通常具有最低的失真。
B类放大器则选择了50%的导通时间，它的效率肯定比A类放大器要高,但是失真也要严重很多。
AB类放大器则是介于A类和B类之间。
它的导通时间也是介于50%到100%之间。
C类放大器是指那些导通时间小于50%的放大器，通常用于负载为调谐回路的射频放大器中。
D类放大器是一种完全不同的放大器，其实称之为D类放大器似乎并不恰当。
因为它并不只是放大器工作点的选择。
所以也有人称之为“数字音频放大器”。
似乎这个名称更为恰当。
因为有一种D类放大器可以接收数字输入而省去D/A变换。
D类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术PWM（PulseWidthModulation）。
所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。
这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。
为什么要这样做呢？
因为这时候，要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放放大就可以了。
而原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的宽度之中。
只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。
在没有信号的时候，输入信号就是对称方波。
所以如果在放大的时候，幅度上产生失真并不会使原来的音频信号产生失真。
在这种情况下的放大器就可以完全工作在开关状态。
在开关工作状态，晶体管的效率是很高的。
因为在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小（由其饱和电阻决定），而在截止的时候，加在晶体管的电压很高，但是流过晶体管的电流很小（只是其漏电流而已）。
同时还可以使晶体管在没有音频信号时完全工作在截止状态，这样其效率就更高。
这种脉宽调制可以用一个等幅三角波来对音频信号进行采样。
为了避免失真这个三角波的频率必须远高于音频信号的最高频率分量。
现在的音频功率放大器主要有电子管式功率放大器、晶体管式功率放大器和集成电路功率放大器等三种。
目前，以晶体管或集成电路式功率放大器为主。
电子管式功率放大器的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，离散度极小。
它的动态范围比较大，过负载能力强，不容易发生饱和削波失真；电路的负反馈深度较浅，也不容易发生瞬态互调失真。
这些使电子管功放音色纯美动听。
集成电路功放随着集成电路技术的发展而大量涌现出来，它的突出优点是体积小、电路简单、性能优越和保护功能齐全等。
晶体管功放是应用最广泛的形式，它的谐波失真已经减少到0.5‰以下。
场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它是一种噪音小、动态范围大的电压控制器件。
另外它还具有负温度特性，音色和电子管机相似，保护电路简单。
第二章D类功率放大器的设计
设计方案一：
2.1工作原理
D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。
此时功放管的线性已没有太大意义，更重要的开关响应和饱和压降。
由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好。
另外，整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗。
所以，饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能得到简化。
若干年前，这种高频大功率管的价格昂贵，在一定程度上限制了D类功放的发展。
现在小电流控制大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域，特别是近年来UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上应用，器件的障碍已经消除。
调制电路也是D类功放的一个特殊环节。
要把20KHz以下的音频调制成PWM信号，三角波的频率至少要达到200KHz。
频率过低达到同样要求的THD标准，对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂。
频率高，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，THD小，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器，造价相应降低。
但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件中的高频损耗、射频的取肤效应都会使整机效率下降。
更高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHz。
同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。
所以要实现高保真，出现了很多与数字音响保真相同的考虑。
还有一个与音质有很大关系的因数就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器。
该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱。
严格地讲，设计时应把音箱阻抗的变化一起考虑进去，但作为一个功放产品指定音箱是行不通的，所以D类功放与音箱的搭配中更有发烧友驰骋的天地。
实际证明，当失真要求在0.5%以下时，用二阶Butterworth最平坦响应低通滤波器就能达到要求。
如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑。
D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。
此时功放管的线性已没有太大意义，更重要的开关响应和饱和压降。
由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好。
另外，整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗。
所以，饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能得到简化。
若干年前，这种高频大功率管的价格昂贵，在一定程度上限制了D类功放的发展。
现在小电流控制大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域，特别是近年来UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上应用，器件的障碍已经消除。
调制电路也是D类功放的一个特殊环节。
要把20KHz以下的音频调制成PWM信号，三角波的频率至少要达到200KHz。
频率过低达到同样要求的THD标准，对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂。
频率高，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，THD小，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器，造价相应降低。
但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件中的高频损耗、射频的取肤效应都会使整机效率下降。
更高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHz。
同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。
所以要实现高保真，出现了很多与数字音响保真相同的考虑。
还有一个与音质有很大关系的因数就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器。
该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱。
严格地讲，设计时应把音箱阻抗的变化一起考虑进去，但作为一个功放产品指定音箱是行不通的。
实际证明，当失真要求在0.5%以下时，用二阶Butterworth最平坦响应低通滤波器就能达到要求。
如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑。
2.11整体框图
D类功放采用脉冲宽度调制（PWM）系统和开关电源供电。
音频信号全部信息被调制在PWM信号的宽度变化中，功率管工作在饱和、截止两种状态，失真小，效率高。
其工作原理是将模拟音频信号经PWM设备调制成数字信号；然后高效功率放大、低频滤波；解调信号后，驱动扬声器。
为适应数字声源直接输出的脉冲编码调制（PCM）输入，一般机内还设置一个PCM/PWM两种脉冲编程调制的转换装置。
本文介绍的D类功放其原理框图如图1所示，包括两部分。
第一部分是脉宽调制部分，输入的模拟信号经电压放大后，与固定频率的三角波相比较，比较器输出宽度被调制的高、低电平。
第二部分是功率放大，PWM信号控制H–桥功率管的通/断，使电能驱动扬声器，产生声音。
图1中的电压放大电路可简单地通过运放来实现，本文不详细讨论，下面主要介绍三角波发生器、比较器、H–桥等电路。
2.12三角波发生器的设计
三角波的作用是用来调制音频信号，对此有两方面的要求。
其一，调制后的信号可以被完整地恢复。
根据Nyquist采样定理，三角波的频率至少是音频信号最高频率的两倍，人类听到的声频范围是20Hz~20k
Hz，说明三角波的频率应在40kHz以上，为确保音频信号的采样，可取三角波的频率为65kHz；其二，三角波要有稳定的频率和幅度，否则，调制后的脉宽会产生变形，从而降低音频输出的信噪比，音质变差，噪声增大。
在高频的情况下，产生频率、幅度稳定的三角波，对一般的波形发生器来说很难实现，本设计选用了台湾凌阳公司的unsp061单片机，这种单片机的片内有两路DAC，可用其中的一路与图2所示的电路直接相连。
产生稳定频率的三角波。
图2电压转换电路图3比较器、Schmitt触发器
unsp061单片机输出三角波的软件编程可通过循环语句（或者采用查表法）实现，但DAC输出的是电流信号，必须用图2所示的同相比例运算电路实现电压转换。
其中Rf可调，以保证三角波的电压变化范围大于放大后信号的电压变化范围。
2.13比较器的设计
比较器是带一个锁相环的脉宽调制电路，把三角波与音频信号比较，实现两者的调制，电路如图3所示。
调制后的电路与H–桥的门控电路相连，地线被连接到公共地端。
为了简单，音频信号以单一正弦信号u2Usinwt为例来说明PWM信号。
如图4所示，当音频信号大于三角波信号时，比较器输出高电平，当音频信号小于三角波信号时，比较器输出低电平。
值得注意的是：
音频信号的幅值不允许大于三角波信号的幅值，否则，结果是一个错误的PWM信号。
如图4所示，PWM信号是一个数字脉冲信号，其脉宽的变化反映信号的全部信息，在正弦波的正半周时，正脉冲宽，负脉冲窄；反之，正脉冲窄，负脉冲宽；当正负脉冲等宽时，输入为0。
脉冲信号的高、低电平控制H–桥两组功率管的通/断，高/低两值之间的转换快慢决定两组功率管之间通/断的转换时间，所以，要求PWM信号高/低电平之间的转换时间要短，否则，输出到扬声器的信号会出现明显的交越失真，降低音频信号的失真度。
比较器的实际输出如图5所示，很显然不符合要求。
为了缩短高/低电平的转换时间，在设计中，采用三个MM74C14Schmitt触发器来调整比较器输出的波形。
MM74C14的特点是磁滞现象和快速的转换特性。
磁滞现象可使电路抗干扰能力增强；快速转换特性可使输出波形得到明显的改善，改善后的波形如图6所示。
如果只采用一片MM74C14，片中的电流大，芯片温度容易升高，因此，采用三片MM74C14，以减少每个触发器的电流，减少能量消耗，降低运行时的温度。
2.14H–桥与滤波电路
H–桥是由四个MOSFET功率管构成，功率管的通/断由MM74C14输出的PWM信号控制，从而控制通过扬声器电流的大小和方向，其原理图如图7所示。
其中A、B是两组、共四个高频MOSFET功率管，R、L是扬声器的等效电路，与电容C并联构成低通滤波。
当PWM信号为高电平时，A1、A2导通，B1、B2截止，电流从扬声器的正极流向负极；当PWM信号为低电平时，A1、A2截止，B1、B2导通，电流从扬声器的负极流向正极。
功率管开关的频率等于PWM信号的频率。
整个H–桥和滤波电路运行在大电压、大电流、大功率的环境下，与第一部分电路的电源无关。
在设计中选用LMD18201作为H–桥，如图8所示这种芯片附有一个散热片，即用来散热，也充当功率地；为了降低噪声，信号地和功率地都通过短且粗的导线连到散热片。
其中C1是Ta电容，以确保开关时有足够的电流供给H–桥；C2、C3是解耦电容，用来提高功率管的开关速度。
H–桥输出给扬声器的方波是PWM信号的放大，经扬声器的滤波电路消除声频以上的高频信号，还原音频信号，驱动扬声器。
在整个电路中用到三种电压：
unsp061单片机的电压是5V；音频信号的放大电路、比较器采用±10V的双电源；H–桥的电压是24V。
若采用常规直流稳压电源的设计，电路复杂、效率低，体积、重量大。
由此，笔者采用开关电源，先把220V的交流电整流为高压直流电，然后经开关电路的精确控制分割，产生一种高压、高频的方波，最后经小型变压器变压、整流、滤波后输出所需直流电。
因变压器线圈的匝数与频率成反比，频率越高，匝数越少，这样可以减少
电源的重量和体积。
在高频下，用Π型滤波可把方波转换为直流电，省略低效率的线性稳压电路，提高电源的效率。
2.2效率分析的数学模型
第一部分电路运行在小功率的情况下，效率的高低无关重要，提高效率主要是第二部分电路，H–桥的四个功率管总是工作在饱和/截止两种状态，在截止状态时，无电流，无能量消耗；在饱和状态时，内阻很小，等效电路如图9所示。
其中RS是功率管的等效电阻，C是
很小的滤波电容，R、L是扬声器的等效电路。
为简便起见，设音频信号是单一正弦波：
其频率是f，周期是T，设该信号被频率是nf的三角波所调制（n≥2），则PWM信号是频率为nf的方波，设一个周期内高电平的占空因数为ai（ai<1），则低电平的占空因数是1–ai，负载中电流的波形可近似为PWM波形的放大（L、C很小），其占空因数相同，设其幅度为±IO，则每一个周期T/n中负载的平均电流是：
电源提供的功率是：
式中：
EC为电源电压
负载消耗的功率：
式中：
UCES为功率管内阻上的压降。
电路的效率：
由上式可知，功率管的饱和压降越小，效率越高；提高电源电压，可明显提高输出功率，也可提高效率，但处于安全考虑，只能适度。
另外，由于开关信号和电磁干扰信号都要消耗一部分能量，所以实际值会略小于理论值。
2.3注意事项
D类功放采用脉宽调制方式，效率高，但设计者一般认为其音质不够理想。
笔者认为，这并非理论上的问题，原因是制作不精细，对以下几方面考虑不周。
（1）采用LC振荡器产生的三角波，其幅度、频率都不稳定，甚至扭曲、变形。
用来调制信号，使脉宽的变化不能真实反映信号的信息，引起输出噪声，甚至变声。
（2）比较器输出的脉冲不理想，高低电平之间的转换时间太长，使H–桥输出的波形产生较大的交越失真，导致音质生硬，不够圆润。
（3）高频率MOSFET功率管的饱和/截止工作状态之间的转换要快，这样可避免两组功率管同时导通或截止。
（4）H–桥电路要进行有效的屏蔽，以免MOSFET功率管工作在大功率、高频率时，对外辐射电磁波，干扰音频信号。
（5）可采用负
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