D类音频功率放大器.

目录摘要 (2)第一章引言 (4)第二章音响的基础知识 (5)1、声音的基本特性 (5)2、音响的结构及参数 (5)3、放大器的技术指标 (5)第三章放大器的简介 (8)1、放大器的种类 (6)(1)A类放大器 (6)(2)B类放大器 (6)(3)C类功率放大器 (7)(4)D类功率放大器 (7)2、 D类功率放大器的原理 (8)第四章 D类放大器的设计 (10)1、一般D类功率放大器的组成情况和分类 (10)2、各单元电路的作用介绍 (10)(1)前置放大器 (10)(2)脉冲宽度调制（PWM）电路 (11)(3)三角波发生器 (11)(4)驱动控制电路 (12)(5)H桥式功率放大电路（功率输出电路） (12)(6)输出低通滤波器 (13)(7)负反馈电路 (14)(8)电平指示电路 (15)(9)音频功率放大器的供电电源 (15)3、部分电路的结构 (17)(1)死区校正和全桥驱动 (17)(2)自举 (17)(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5V D 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：LR U P 200=，0U 为负载两端的最大不失真电压，L R 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U i =20mV 的正弦信号。

功率放大器的输出端接额定负载电阻R L （代替扬声器），输入端接U i ，逐渐增大输入电压U i ，直到U o 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U i ，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f 0（1KHz ）的电压增益下降3dB 时所对应的低音音频f L 和高音音频f H 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i U =20mV 不变）测量负载电阻上对应的输出电压0U 。

（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L R 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L R 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CC CO V I *，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3-1 A 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V B(2) B 类放大器t图3-2 B 类音频功率放大器，晶体管截止极限设定V B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3-3 SEPP图3-4 AB 类和B 类放大器(3) C 类功率放大器情况如图3-5，图3-5 C 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，IbVb Q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。