高效D类音频功率放大器的设计

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高效率、低失真的D类音频功率放大器

厦门大学硕士学位论文高效率、低失真的D类音频功率放大器姓名：叶春晖申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：冯勇建20090501摘要半导体技术的进步重新唤起了人们对Ｄ类音频功放的兴趣，尤其体现在便携器件等消费电子产品中Ⅲ。

本文对双声道Ｄ类音频功率放大器进行研究，通过使用双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术极大降低了静态功耗，从而将低输入状态下的芯片的效率提高Ｎ９０％。

同时将谐波失真降至０．０３％．并且通过独特的二阶反馈环路增大系统带宽，使系统在２０赫兹ｊ！ｌＪ２００００赫兹的音频范围内具有平坦的响应曲线。

就此本文主要开展了以下研究工作：１．综合考虑器件成本和性能的要求，选取了现代公司的０．６Ｕｍ线宽标准工艺，在保证合理的成本和芯片面积的前提下得到最优化的效率以及相应的输出功率性能。

通过对输出级电路分析计算，确保芯片在该工艺条件下的运行安全性。

２．深入分析计算了以往各种采样技术的特点，设计了双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术作为Ｄ类音频信号调制器的核心技术，提高了系统线性度，极大降低了系统静态功耗。

３．设计独特的二阶反馈环路增大系统带宽。

建立传递函数模型，通过ＭＡＴＬＡＢ分析系统的线性与稳定性。

通过ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真，计算出系统的失真度。

４．设计并全差分结构的运算放大器作为组成音频信号调制器的核心放大器，以得到更高的集成度，并且不需要使用输入耦合电容对。

设计轨到轨的高反应速度的比较器作为脉宽高制信号发生器，从而将信号相移最小化，同时保证系统的稳定性。

５．完成包括Ｄ类音频调制器以及功率输出级在内的整个器件的所有具体电路设计与仿真验证；完成了器件的版图设计、后端生产以及性能测试。

所得到的产品在拥有高达９０％的效率与低至０．０３％的失真度，在效率与失真度方面性能优异，十分符合音频领域的应用要求。

该Ｄ类音频功率放大器的性能良好，拥有极高的效率以及低失真，同时还拥有占空间小，成本低的优势，适合于手机等便携式消费电子产品的音频应用，在国内处于领先地位，具有广泛的市场前景。

D类高效音频功率放大器设计与实现

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｌａｓｓ－ＤＡｕｄｉｏＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ
ＬＩＮＰｉｎｇ（ＹａｎｇｎｆｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅｏｆＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５２１１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｐｏｐｕｌａｒｉｔｙｏｆｐｏｒｔａｂｌｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｄｕｃ￣，ｃｌａｓｓ—Ｄａｕｄｉｏａｍｐｌｉｆｉｅｒｉｓｆａｖｏｒｅｄｂｙｔｈｅｍａｒｋｅｔｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｇｈｅｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｓｍａｌｌｖｏｌｕｍｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｃｌａｓｓｉｃａｈｉ曲ｅｆｉｃｉｅｎｃｙｃｌａｓｓ—ＤａｕｄｉｏｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒＴｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ｂａｎｄｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ＰＭＷｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，
想效率可达７８．５％［１］，广泛应用于音频功率放大电路场的青睐。
中。但ＡＢ功放功率耗散较大，需要配置散热器。随着
本文对Ｄ类功放的设计过程进行了详细讨论，并
科技的发展，人们要求便携式多媒体电子产品具有更进行了参数测试，在音频范围内，信号能够高保真、高
小的外观和更长的使用时间，ＡＢ类功放固有的特点限效率的放大。
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图１Ｄ类音频功率放大器系统框图
２Ｄ类功放单元电路设计

d类功放原理

d类功放原理D类功放原理。

D类功放（Class-D Amplifier）是一种高效率的功率放大器，它利用数字调制技术将音频信号转换成脉冲宽度调制（PWM）信号，然后通过功率开关器件进行放大。

与传统的A类、B类功放相比，D类功放具有更高的效率和更小的体积，因此在音响设备、汽车音响和无线通信等领域得到了广泛的应用。

D类功放的工作原理可以简单地分为两个部分，信号调制和功率放大。

首先，音频信号经过模数转换器（ADC）转换成数字信号，然后经过数字信号处理器（DSP）进行数字调制，将其转换成PWM信号。

PWM信号的脉冲宽度与音频信号的幅度成正比，频率与音频信号的频率相同。

这样就实现了对音频信号的数字化处理。

接下来，PWM信号通过功率开关器件（如MOSFET、IGBT）控制输出级的功率开关，将电源电压施加在负载上，从而实现对音频信号的功率放大。

在输出级，PWM信号经过滤波器进行滤波处理，去除高频成分，得到原始的音频信号。

最后，经过放大器输出到扬声器或其他负载上。

D类功放相比传统的A类、B类功放具有很多优点。

首先，D类功放的效率非常高，通常可以达到90%以上，而A类、B类功放的效率只有50%左右。

这意味着D类功放在同样输出功率下，可以减少很多功率损耗，从而减小散热器的尺寸和成本。

其次，D类功放的失真度较低，因为功率开关器件的开关速度非常快，可以更准确地跟随音频信号的变化，减少失真。

此外，D类功放的体积小、重量轻，适合于便携式音响设备和汽车音响系统的应用。

然而，D类功放也存在一些缺点。

首先，由于功率开关器件的开关频率较高，会产生一定的高频谐波，需要进行滤波处理，增加了设计的复杂度。

其次，功率开关器件的开关损耗会产生一定的电磁干扰，需要进行屏蔽和抑制。

另外，D类功放对电源的要求较高，需要较为稳定的直流电源，以保证输出的音频质量。

总的来说，D类功放作为一种高效率、高保真度的功率放大器，已经成为现代音响设备和汽车音响系统的主流选择。

d类功放的原理及电路设计

d类功放的原理及电路设计
D类功放是一种数字功放，采用全数字化的技术来放大音频信号。

它的工作原理是将输入的模拟音频信号转换为数字信号，然后利用PWM（脉宽调制）技术将数字信号转换为高频的数字脉冲信号，接着利用低通滤波器将高频信号滤除，得到放大后的模拟音频信号。

D类功放的电路设计包含以下主要组成部分：
1. 输入级：负责将模拟音频信号输入功放电路，通常采用差分输入，以提高抗干扰能力和动态范围。

2. ADC（模数转换器）：将输入的模拟音频信号转换为数字信号。

通常采用高速的Σ-Δ调制器，将音频信号转换为高速脉冲流。

3. PWM（脉宽调制器）：接收ADC输出的数字信号，并将其转换为一系列高频的数字脉冲信号。

脉宽的宽度根据输入信号的幅度来调节。

4. 输出级：将PWM输出的高频脉冲信号进行滤波处理，恢复为模拟音频信号。

一般采用低通滤波器，滤除高频信号，保留放大后的音频信号。

5. 功率放大器：将输出级的模拟音频信号放大到足够的电平，以驱动扬声器。

D类功放相比于传统的A类、B类功放具有高效率、低热量、小尺寸等优势，适用于各种音频放大应用，如音响系统、汽车音响、无线通信等。

D类功率放大器设计与制作

D类功率放大器设计与制作首先，我们需要明确D类功率放大器的工作原理。

它采用了脉冲宽度调制（PWM）技术，通过将输入信号转换为脉冲信号，并将其与高频的载波信号进行比较，以实现放大。

这样的设计使得D类功率放大器能够在输出功率为零或接近零时，电源能耗最低。

在设计D类功率放大器时，首先需要确定功率放大器的输出功率要求。

输出功率决定了需要使用的功率晶体管的尺寸和数量。

一般来说，功率放大器的输出功率越大，所需的功率晶体管尺寸和数量就越大。

接下来，需要确定功率放大器的负载阻抗。

负载阻抗是功率放大器输出末级与负载之间的阻抗匹配。

这样可以最大限度地传递功率，并减少功率放大器和负载之间的反射。

然后，需要确定驱动电路的设计。

驱动电路负责将输入信号转换为适合功率放大器的脉冲信号，并将其与载波信号进行比较。

通常，驱动电路采用运算放大器等器件，用于调整输入信号的幅值和偏置。

在设计完成后，我们可以着手制作D类功率放大器。

首先，需要根据设计要求选择合适的功率晶体管，并将其焊接到PCB板上。

然后，连接驱动电路和功率晶体管，以实现输入信号的转换和放大。

接下来，连接电源和负载，完成D类功率放大器的搭建。

在制作过程中，需要注意以下几个方面。

首先，确保电源和地线的连接正确可靠，以避免电路出现短路或断路的情况。

其次，注意散热问题，特别是功率晶体管的温度应控制在安全范围内。

此外，还要进行各种测试和调整，以确保D类功率放大器的性能和稳定性。

总结起来，D类功率放大器的设计和制作需要考虑功率要求、负载阻抗、驱动电路等因素。

通过选择合适的器件和进行正确的布线和连接，可以制作出高效率和低失真的D类功率放大器。

此外，制作过程中还需要注意电源和散热等问题，以确保功率放大器的稳定性和可靠性。

TDA7498设计的100W+100W D类音频放大技术

TDA7498 设计的100W+100W D 类音频放大技术TDA7498 是100W+100W 双BTL D 类音频放大器,主要用在家庭影院和有源扬声器. TDA7498 单电源10-39V 工作,效率高达90%,增益设定为25.6 dB, 31.6 dB, 35.1 dB 和37.6 dB, 在THD = 10%, RL = 6 欧姆和VCC = 36 V 时的输出功率为100W+100W.本文介绍了TDA7498 主要特性, 内部方框图, 特性测量电路图, 6 和8 欧姆扬声器应用电路图以及待机和静音电路图, 6 和8 欧姆扬声器LC 滤波器电路图.TDA7498:100 W + 100 W dual BTL class-D audio amplifier.The TDA7498 is a dual BTL class-D audio amplifier with single power supply designed for home systems and active speaker applications. It comes in a 36-pin PowerSSO package with exposed pad up (EPU) to facilitate mounting a separateheatsink.TDA7498 主要特性:100 W + 100 W output power at THD = 10% with RL = 6ohm and VCC = 36 VWide range single supply operation (10 - 39 V)High efficiency (= 90%)Four selectable, fixed gain settings of nominally 25.6 dB, 31.6 dB, 35.1 dB and 37.6 dBDifferential inputs minimize common-mode noiseStandby and mute featuresShort-circuit protectionThermal overload protectionExternally synchronizable 图1.TDA7498 内部方框图(仅显示一路)图2.TDA7498 特性测量电路图图3.TDA7498 6 欧姆扬声器应用电路图tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。

便携式D类音频功率放大器的设计与实现

ｌ引言
功率放大器根据功放管的导电方式不同，可以分为甲类（Ａ类）、乙类（Ｂ类）、丙类（Ｃ类）、甲乙类（ＡＢ类）和丁
类（Ｄ类）Ｌ１ｊ。
并对该放大器的性能进行了测试分析，结果表明，该Ｄ类
然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比变化的ＰＷＭ波，再经过驱动电路，加到功率ＭＯＳ的栅极，控制
信号时，经ＰＷＭ调制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
应用天地
己口Ｉ］年Ｉ口月
第］己卷第１口期 — —一
便携式Ｄ类音频功率放大器的设计与实现
刘青戴
（１．钟山职业技术学院南京摘
佩
２１００４９；２．精恒科技有限公司东莞５２３０００）
中图分类号：Ｔｐ３１１文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：５１０．６
ＤｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｐｏｒｔａｂｌｅｃｌａｓｓＤａｕｄｉｏｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ
ＰＣＭ数字信号时，数字信号经ＰＣＭ— ＰＷＭ转换器，转变

D类音频功率放大器分析

D类音频功率放大器分析D类音频功率放大器是一种高效的功率放大器，主要用于音频设备中提供高功率输出。

它的工作原理是在输入信号的周期性周期内，对电流进行开关调制，从而将信号通过高频开关电路进行放大。

与传统的A类、B类和AB类功率放大器相比，D类功率放大器具有更高的效率和较低的功耗。

D类音频功率放大器的基本结构包括输入级、放大级和输出级。

输入级主要负责将信号转换为宽幅脉冲，并将其输入到放大级中。

放大级中的高频电路将宽幅脉冲进行放大，并通过输出级输出到负载上。

输出级一般由功率MOSFET管组成，可以提供高功率输出。

D类音频功率放大器的工作周期包括两个状态：导通状态和截止状态。

在导通状态下，输入信号的正半周期会导致功率MOSFET管导通，负半周期则关断。

而在截止状态下，则正负半周期都会导致功率MOSFET管全部关断。

相比于传统的A类、B类和AB类功率放大器，D类功率放大器具有以下优点：1.高效率：由于D类功率放大器工作在开关状态，其功率损耗相对较小。

因此，其效率可以达到70%以上，远高于传统的功率放大器。

2.低功耗：由于高效率的特性，D类功率放大器的功耗相对较低。

这对于移动设备和电池供电的设备来说非常重要，可以延长电池使用时间。

3.尺寸小巧：D类功率放大器的尺寸相对较小，可集成到小型音频设备中，使其紧凑且易于携带。

4.低发热量：由于功率损耗较小，D类功率放大器产生的热量也相对较少。

这有助于减少设备散热需求，提高设备的可靠性。

然而，D类功率放大器也存在一些缺点：1.输出质量：由于开关调制的特性，D类功率放大器在放大音频信号时，很难完全重现输入信号的准确细节。

这可能导致一些畸变和噪音。

2.上电启动时间：由于开关电路的特性，D类功率放大器在上电启动时需要一定的时间来建立输出电压。

这可能导致一些短暂的音频延迟。

3.EMI干扰：由于高频开关电路的存在，D类功率放大器可能会引入一些电磁干扰（EMI），对周围的其他设备产生不良影响。

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第６卷，ｌ期第ｌ
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ＥＥＣＬＴＲＯＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ
总第４３期２００６年１门１
电路设计
高效Ｄ类音频功率放大器的设计
车音响、ＰＣ机、ＰＤＡ、ＣＤ耳机、收录机，以及
够较好地应付这些终端设备的早期性能与成本要求，
但线性放大器的特点将不能满足消费者对更高效率的需求。因此，Ｄ类放大器在需要提供更高效率音频功能的消费类产品使用方面正向ＡＢ类放大器提出挑战。今天，诸如ＬＤ电视、等离子电视及台式替代型ＰＣＣ等许多终端设备均要求在相似的成本、近似的性能基础上提供更高的输ｍ功率，同时还要保持甚至降低尺
ｏｇｓｐｅｅｔｄｉｈｓｐｐｅ．ｓｄｏｈｉｈｅｆｃｅｃｃａｓＤｗｅｍｐｉｉｒｈｓａａｔｄｗｅｌｏｔｅｙｉｒｓｎｅｎｔｉａｒＢａｅｎｔｅｈｇｆｉｉｎｙ，ｌｓ — ｐｏｒａｌｆｅａｄｐｅｌｈｔ
着对性能的要求不断提高，人们也要求音频放大器具有更多特性，希望以更高功率水平将更佳的音频质量
送人更低阻抗的负载。一般来说，ＡＢ类放大器已能
发展前景，并对消费电子产生巨大的冲击作用，Ｄ类
功放现已在ＤＶＤ接收机销售业占主导地位，其他应用包括ＡＶ接收机、助听器、手机、等离子显示器、汽
ｐｒｇｅｓｏｅＣＭＯＳｔｃｎｏｙ，ｈｅｆｒｎｅｉｌｏｂｅｒｃｏｒｓｆｔｈｅｈｏｌｇｔｅｐｒｏｍａｃｓａｓａｏｍｐｒｓｎｗｉｈｃａｓＡＢ．ｅｐｐｒａｓａｉｏｔｌｓ — Ｔｈａｅｌｏ
Ｋｅｗｏｄ：ｃａｓＤ；ａｄｏｐｗｅｍｐｌｆｅ；ｅｆｃｅｃｙｒｓｌｓ－ｕｉｏｒａｉｉｒｆｉｉｎｙ；ＴＨＤ；ｄａｔｍｅｅｄｉ
明，Ｄ类目前以每年超过５％的速度在迅猛增长。随０
１引言
Ｄ类功放是一项意义深远的创新技术，具有广阔的
Ａｂｔａｔｎｅｒｔｄｃｒｕｔｆｌｓ－ａｄｏｐｗｅｍｐｉｅｔｅｙｈｇｆｉｉｎｙｕｉｇＣＭＯＳｔｃｎｌｓｒｃ：ＩｔｇａｅｉｉｏｃａｓＤｕｉｏｒｃａ－ａｌｉｗｉｖｒｉｈｅｆｅｃｓｆｒｈｃｎｈｏ— ｅ－
ｔｓｉｃｔｐｒｓｃｎｈｅｐＵｏｂｉｇａｓｃｅｓｕｅｉｎ．ｌｏｈｓａｈｈｏｙｆｕｄａｉｆｔｅｈｅｅｃｒｕｉａｔａｌＳｔｒｎｕｃｓｆｌｄｓｇＡｌｆｔｅｅｍｋｅｔｅｔｅｒｏｎｔｏｎｏｈｄｓｇｎｏｌｓ — ａｄｏａｐｉｅ．ｅｉｆａｓＤｕｉｍｌｆｒｃｉ
艺的Ｄ类音频功率放大器构成、驱动实现、性噪比、失真度等方面的特性来简要描述此类电路的设计
思路同时具体讨论了Ｄ类音频放大器各模块的工作原理和设计要点，针对设计要求比较高的驱动部分、抗干扰和噪声抑制部分以及抗ＥＭＳ的设计都做了较详细的分析和论述。关键词：Ｄ类；音频功率放大器；效率；失真度；死区时间中图分类号：Ｔ２．４Ｎ７２１文献标识码：Ａ文章编号：１８ —００（０６）１－０３０６１１７２０１０２．４
ｐｏｔｂｅｄｖｃｓｅｐｃａｌｏｔｅａｄｏｆｅｄＷｉｈｔｅａａｃｍｅｔｏｉｃｔｄｓｇｎｋｏｌｇｎｈｒａｌｅｉｅ，ｓｅｉｌｔｈｕｉｌ．ｔｈｄｖｎｅｎｆｃｒｕｉｅｉｎｗｅｄｅａｄｔｅｙｉ
ＤｅｉｎｏａｓＤｄｏＡｍｐｉｅｔｇｆｃｅｃｓｇｆＣｌｓ－ＡｕｉｌｒｗｉＨｉｈＥｉｆｈｉｉｎｙ
ＷＡＮＧＤｏｇｎ

（ｌｃｒｎｃＥｇｎｅｉｇＤｅｔｏｔｅｓＵｉｅｓｙＮｎｉ１０６Ｃｉａ）Ｅｅｔｉｎｉｅｒｐ，Ｓｕｈａｔｎｖｒｉ，ａｊｇ２０９，ｈｎｏｎｔｎ
ｄｓｒｅｅｃｎｅｔｆｆｃｅｃｒｖｒＴｅｃｉｄｔｏｃｐｆｉｎｙｄｉｅ，ＨＤ，ＭＩｆｈｌｓ— ｏｒａｌｉｒｂｉｃｓｉｎａｏｔｂｈｏｅｉＥｅｃａｓＤｐｗｅｍｐｉｅ，ｙａｄｓｕｓｂｕｏｔｆｏ
汪东
（东大学电子Ｔ程系，『京２０９卓ｊ１０６）
摘
要：类功率放大器适应便携设备高效节能的客观需求，从而在音频模拟集成领域具有优势。随Ｄ
着设计技术的不断进步，Ｄ类功率放大器的性能指标也逐渐接近ＡＢ类放大器通过分析基于ＣＳ工ＭＯ