D类功率放大器设计与制作
D类功放的设计原理
D类功放的设计原理D类功放，全称为“数字功率放大器”，是一种电子功率放大器的类型，它的设计原理基于数字信号的处理和模拟功率放大电路的协同工作。
相比于传统的A类、B类、AB类功放，D类功放具有更高的功率效率，更小的尺寸和重量，更好的线性度，以及更低的功率损耗。
下面将详细介绍D类功放的设计原理。
1.PWM调制原理D类功放的核心设计原理是采用脉宽调制（PWM）技术。
PWM是一种通过调整信号的脉冲宽度来控制平均输出功率的方法。
D类功放通过将原始的模拟音频信号转换为数字信号，并通过比较器产生一个与模拟信号频率相同的矩形波，然后根据输入音频信号的幅值调整矩形波的脉宽，最后通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。
2.数字信号处理D类功放的设计中需要进行数字信号处理。
首先，输入的模拟音频信号需要经过模数转换器（ADC）转换为数字信号，然后通过数字信号处理器（DSP）进行数字信号的滤波、均衡、增益控制等处理，最后再经过数字模数转换器（DAC）转换回模拟信号。
3.比较器比较器是D类功放中的一个关键组件，用于将模拟音频信号与产生的PWM矩形波进行比较。
比较器的作用是根据输入信号的幅值调整PWM信号的脉宽，从而控制输出功率。
比较器通常由操作放大器和参考电压产生器组成。
4.滤波器在PWM调制之后，需要通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。
滤波器的作用是去除PWM信号中的高频分量，保留音频信号的低频成分。
常见的滤波器类型包括低通滤波器和带通滤波器。
5.输出级D类功放的输出级通常采用开关管（如MOSFET）构成。
开关管的特点是具有较低的开通电阻和较高的关断电阻，从而实现更小的功率损耗和更高的功率效率。
输出级通常由多个开关管组成，根据功率需求可以并联或串联排列。
输出级的设计需要考虑电压和电流的控制，包括过电压和过电流的保护。
6.反馈控制为了提高D类功放的线性度和稳定性，通常需要采用反馈控制。
通过对输出信号与输入信号进行比较，调整PWM信号的脉宽和幅值，以使输出信号尽可能接近输入信号。
D类功率音频放大器的设计
D 类放大器的基本结构D 类放大器的电路共分为三级：输入开关级、功率放大级及输出滤波级。
D 类放大器工作在开关状态下可以采用脉宽调制(PWM)模式。
利用PWM 能将音频输入信号转换为高频开关信号。
通过一个比较器将音频信号与高频三角波进行比较，当反相端电压高于同相端电压时，输出为低电平；当反相端电压低于同相端电压时，输出为高电平。
在D 类放大器中，比较器的输出与功率放大电路相连，功放电路采用金属氧化物场效应管(MOSFET)替代双极型晶体管(BJT)，这是因为：(1)功率MOSFET 是一种高输入阻抗、电压控制型器件，BJT 则是一种低阻抗、电流控制型器件。
(2)从二者的驱动电路来看，功率MOSFET 的驱动电路相对简单，BJT 可能需要多达20％的额定集电极电流以保证饱和度，而MOSFET 需要的驱动电流则小得多，而且通常可以直接由CMOS 或者集电极开路TTL 驱动电路驱动。
(3)MOSFET 的开关速度比较迅速，他是一种多数载流子器件，没有电荷存储效应，能够以较高速度工作。
(4)MOSFET 没有二次击穿失效机理，他在温度越高时往往耐力越强，发生热击穿的可能性越低。
他还可以在较宽的温度范围内提供较好的性能。
(5)MOSFET 具有并行工作能力，具有正的电阻温度系数。
温度较高的器件往往把电流导向其他MOSFET ，允许并行电路配置。
而且，MOSFET 的漏极和源极之间形成的寄生二极管可以充当箝位二极管，在电感性负载开关中特别有用。
场效应管有两种工作模式，即开关模式或线性模式。
所谓开关模式，就是器件充当一个简单的开关，在开与关两个状态之间切换。
线性工作模式是指器件工作在某个特性曲线中的线性部分，但也未必如此。
此处的"线性"是指MOSFET 保持连续性的工作状态，此时漏电流是所施加在栅极和源极之间电压的函数。
他的线性工作模式与开关工作模式之间的区别是，在开关电路中，MOSFET 的漏电流是由外部元件确定的，而在线性电路设计中却并非如此。
D类音频功放设计 (2)
D类音频放大器的设计与制作摘要：本项目涉及高效节能、数字化、体积小、重量轻等特点的D类功率音频放大器。
适应便携设备高效及节能的客观要求。
顺应了市场的客观要求。
从而在音频集成领域具有很大的优势。
随着设计技术不断进步D类功率放大器的要求也在不断提高本文通过基于CMOS工艺的D类功率音频放大器构成，驱动实现、失真度等方面的特性来进行电路的设计。
本课题的目标是设计一个D类音频功率放大器，能对音频信号进行放大，放大器的通频带达到300~10000Hz，输出功率IW,输出信号无明显失真。
根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H桥互补对称输出及低通滤波模块等。
其中三角波产生器及比较器共同组成脉宽调制(PWM)模块，H桥互补对称输出电路采用驱动电流小、低导通电阻及良好开关特性的VMOSFET管，滤波器采用Butterworth低通滤波器。
关键词：D类功率放大器H桥驱动脉宽调制目录1. 引言 .................................................................................................................................................2. 系统方案 .........................................................................................................................................2.1 总体方案设计 ...........................................................................................................................2.2 三角波模块设计方案 ...............................................................................................................2.3高速开关电路设计方案 ............................................................................................................3. 硬件电路设计 .................................................................................................................................3.1 三角波发生器 ...........................................................................................................................3.2 放大电路 ...................................................................................................................................3.3脉宽调制比较器 ........................................................................................................................3.4驱动电路、H桥.........................................................................................................................4. 测试方案与测试结果： ................................................................................................................. （1）列出主要的测试仪器、仪表； ............................................................................................ （2）系统测试： ............................................................................................................................ （3）测试结果分析： ....................................................................................................................5. 设计总结： ..................................................................................................................................... 参考文献： .......................................................................................................................................... 附录： ..................................................................................................................................................系统原理图； ..................................................................................................................................1. 引言近几年，国际上加进了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进展，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。
D类功率放大的高效率音频功率放大器设计
D类功率放大的高效率音频功率放大器设计1.1 整体计划计划①：数字计划。
输入信号经前置放大调理后，即由A/D采入举行处理，三角波产生及与音频信号的比较均由软件部分完成，然后由单片机输出两路彻低反向的波给入后级功率放大部分，举行放大。
此种计划硬件容易，但会引入较大数字噪声。
计划②：硬件电路计划。
三角波产生及比较、PWM产生仍由硬件电路实现，此计划噪声较小、且幅值能做到更大，效果较好，故采纳此计划。
1.2 三角波产生电路设计计划①：利用NE产生三角波。
该电路的特点是采纳恒流源对线性冲、放电产生三角波，波形线性度较好、频率控制容易，信号幅度可通过后加衰减电位器控制。
计划②：对方波积分产生三角波。
积分器与级联，通过对照较器产生的方波积分得到三角波，频率与幅值控制只需调节某些值，控制容易。
但考虑积分电路存在积分漂移。
此处采纳挑选计划①。
1.3 PWM波产生计划设计计划①：挺直比较。
取偏重与输入音频信号信置相同，幅度略大的三角波信号与音频信号挺直比较，产生PWM波，后再经反向器产生一路与之彻低反向的PWM波信号给后级放大电路。
计划②：双路比较。
用两路偏置不同的三角波信号与音频信号的上下半部分离比较。
此种计划可削减后缀H桥电路中管的开合次数，削减功率损耗，提高效率。
计划③：将音频信号挺直反向。
在对音频输入信号举行放大调理后挺直将其反向，再对处理后信号分离举行三角波比较，从而产生两路反向的PWM波。
因计划②的效率较高且对抑制共模噪声有一定作用，故选用计划②。
1. 4 短路庇护计划设计第1页共2页。
音频D类放大器的研究与设计毕设
音质要求
特别高
较高
较高
一般
不高
较高
一般
较高
极高
功率要求
几百毫瓦
小于1W
几瓦
几瓦
几瓦
十几瓦
几瓦
几瓦
大于 20W
D类放大器的全球市场前景
2003年增长200％，至$84Million 2006年达到$350M 2010将达$1080M 终将完全取代AB类
结论
D 类放大器在音频放大领域的应用现状以及前景都是非常乐观的，它所独具的高效的优势（理论上可达100%）大大的满足了低功耗便携式应用如手机、MP3、对讲机和笔记本电脑等等对电池寿命、电路板空间以及 EMI 兼容性的苛刻要求；对 D 类放大器的基本设计原理及其最新的技术发展有一个基本理解，将有助于设计者为具体应用选择合适的放大器，并正确权衡某些功能特性的优势和劣势。
B类放大器－失真较大，静点工作电流最小，效率较高
D类放大器－不是工作点的不同，而是工作原理完全不同的新型放大器，也有人称之为数字放大器
各类放大器的简单比较
电路一：由两个N沟道MOS管组成的半桥推挽互补功率放大电路
电路二：D类功放设计
本文的主要工作
电路一：推挽功放原理及设计
电路正面
电路反面
实验电路
功放正面
功放反面
D类放大器的应用汇总
产品要求
Mp3MP4播放机
手机PDA
便携式DVDTV
PC
对讲机
汽车音响
台式机音箱
电视机
音响功放
电池寿命
十分短
很短
短
短
短
长
长
长
长
空间大小
十分有限
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。
D类音频功率放大器设计
滤波拓扑概况用于D类功率放大器的滤波器拓扑共有三种：(1) FB-C，铁氧体磁珠和电容；(2) LC，电感和电容；以及(3) “无滤波器”。
某个特定设计应该选择哪种滤波技术，取决于应用的扬声器电缆长度和PCB布局。
下面是这三种滤波器拓扑的优缺点：FB-C滤波如果扬声器电缆长度适中，FB-C滤波足以满足EMI限制。
与LC滤波相比，FB-C滤波方案更为精简，成本效益更高。
但是，由于只能在频率大于10MHz的情况下生效，FB-C滤波的应用范围受到很大的限制。
而且，在频率低于10MHz 的情况下，如果扬声器电缆走线不合理，也会导致传导辐射超标。
LC滤波相比之下，LC滤波可以在频率大约为30kHz的情况下即开始起到抑制作用。
当某设计中所用的电缆线较长，而PCB 布局又不是很好时，LC滤波无疑是一个“保险的”选择。
但是，LC滤波需要昂贵而庞大的外部元件，这显然不适合便携式设备。
而且，当频率大于30MHz，主电感会自谐振，还会需要额外的元件来抑制电磁干扰。
“无滤波器”滤波“无滤波器”放大器拓扑是最具成本效益的方案，因为它省去了额外的滤波元件。
采用较短的双绞线扬声器电缆时，D 类放大器完全可以满足电磁兼容性标准。
但是，和FB-C滤波一样，如果扬声器电缆走线不合理，可能出现传导辐射超标。
还需注意，Maxim的D类放大器也可以实现“无滤波”工作，只要在放大器的开关频率下扬声器是感性负载。
在输出电压进行转换时，转换频率下的大电感值可使过载电流保持相对恒定。
很多，还将说明为什么某些D类放大器要求LC过滤器，而某些则不需要。
D 类输出信号 (PWM) 如何包含音频信号？TPA3001D1结构图（见图1）有助于解释PWM信号是如何形成的。
首先，模拟输入D 类采用前置放大器获得输入音频信号，并确保差动信号。
随后，积分器级 (integrator st age) 可低通过滤音频信号以实现抗失真与稳定性。
音频信号而后与三角波相比较，以创建脉宽调制 (PWM)信号。
D类音频功放设计
D类音频功放设计 Revised by Petrel at 2021D类音频放大器的设计与制作摘要：本项目涉及高效节能、数字化、体积小、重量轻等特点的D类功率音频放大器。
适应便携设备高效及节能的客观要求。
顺应了市场的客观要求。
从而在音频集成领域具有很大的优势。
随着设计技术不断进步D类功率放大器的要求也在不断提高本文通过基于CMOS工艺的D类功率音频放大器构成，驱动实现、失真度等方面的特性来进行电路的设计。
本课题的目标是设计一个D类音频功率放大器，能对音频信号进行放大，放大器的通频带达到300~10000Hz，输出功率IW,输出信号无明显失真。
根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H桥互补对称输出及低通滤波模块等。
其中三角波产生器及比较器共同组成脉宽调制(PWM)模块，H桥互补对称输出电路采用驱动电流小、低导通电阻及良好开关特性的VMOSFET管，滤波器采用Butterworth低通滤波器。
关键词：D类功率放大器H桥驱动脉宽调制目录1.引言...................................................................................................... 错误!未指定书签。
2.系统方案.............................................................................................. 错误!未指定书签。
2.1总体方案设计................................................................................... 错误!未指定书签。
2.2三角波模块设计方案....................................................................... 错误!未指定书签。
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HUNAN RAILWAY PROFESSIONAL－TECHNOLOGY COLLEGE毕业设计（论文）课题名称：D类功率放大器设计与制作电气工程系专业（系）级班电子设计092学生姓名1112233张文初、汤俊指导老师完成日期2011.12.12任务书一、任务设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。
功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻。
二、指导老师：张文初、汤俊秀三、要求1．基本要求（1）功率放大器a．3dB通频带为300Hz～3400Hz，输出正弦信号无明显失真。
b．最大不失真输出功率≥1W。
c．输入阻抗>10k，电压放大倍数1～20连续可调。
d．低频噪声电压（20kHz以下）≤10mv，在电压放大倍数为10，输入端对地交流短路时测量。
e．在输出功率500mW时测量的功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）≥50%。
（2）具有输出短路保护功能。
（3）设计并制作一个测量放大器输出功率的装置，要求具有3位数字显示，精度优于5%。
2、设计内容与要求⑴绘制系统组成框图，确定设计方案；⑵了解电路所需集成芯片的功能，参数和工作原理；⑶绘制整机电路图；⑷制作实物并完成软、硬件调试；⑸提交毕业设计论文。
四、设计参考书《模拟电子技术》、《高频电子技术》、《电子设计自动化技术》、《数字电路设计方法》、《电子装置的设计》、《单片机原理及应用》五、设计说明书要求1.封面：包括设计题目，班级，姓名，指导老师，完成时间2.目录：根据说明书的内容决定，一般采用2 至3级。
3.设计任务书：包括课题名称、目的、用途、主要技术性能指标(参照教材目录编排)。
4.中文题目、摘要、关键词；英文题目、摘要、关键词。
5.正文：设计方案框图及电路工作原理：包括系统方框图，电气原理图，各单元电路的设计，简述主要部件（包括主要集成电路）的工作原理、工作条件、给定参数、理论公式及详细的计算步骤、计算结果。
这是说明书的主要部分。
6.元件参数表：包括所选用的元器件名称、参数、型号。
7.调试方案：包括调试的条件、方法、使用仪器设备的型号，并对测试数据进行分析。
8.设计心得：包括对本课程设计的客观评价、设计特点、存在的问题以及改进意见等。
9.参考文献：包括作者、署名、出版地、出版年等六、设计进程安排第1周：资料准备与借阅，了解课题思路。
第2-3周：设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。
第4-6周：进行毕业设计，完成说明书初稿。
第7周：第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。
第8周：毕业答辩与综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求1.毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2．毕业设计论文要求文字要求：说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。
文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
图纸要求：按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
摘要本系统以高效率音频功率放大器为核心，输出开关管采用高速VMOSFET管,连接成互补对称H桥式结构,最大不失真输出功率大于1W，平均效率可达到70%左右,兼有输出1:1双变单电路, 单片机实现功率测量显示电路。
此外还有输出短路保护辅助功能, 比较理想地实现了设计指标的要求。
音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,从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。
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挡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。
D类放大器在这些设备中也扮演了极重要的角色。
关键词：高效率；音频；功率放大；LM311；74LS0；555芯片ABSTRACTThis system with high efficiency audio power amplifier as the core, output switch tube with a high VMOSFET tube, connected into complementary symmetry H bridge type structure, maximum output power greater than 1 not distortion W, average efficiency can reach 70%, with output 1:1 double change single circuit, single chip microcomputer power measurement show circuit. In addition to the output short circuit protection auxiliary function, an ideal way to realize the requirement of design index.Audio amplifier has is a century of history, from the earliest tube amplifiers first application is audio amplifier. However, up to now, it will continue to update, development and progress. Mainly because of the human auditory is all sorts of feeling of quite important, also is the most basic one. In order to meet the need of it, the audio amplifier will be constantly improved.High efficiency of the audio amplifier not just in portable equipment need, in high power electronic equipment also need. Because, the greater the power, efficiency and also more important. But along with the improvement of people's living conditions, high fidelity audio equipment and higher to block of home theater gradually began to rise. In these devices, often need dozens of tile or even hundreds of watts of audio power. At this time, low distortion, high efficiency of the audio amplifier will become one of the key components. D class in these devices amplifier also play an extremely important role.Keywords: high efficiency; Audio; Power amplifier; LM311; 74 LS08; 555 chip目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1课题概述 (1)1.1.1 D类功率放大器简介 (1)1.2研究背景 (3)1.3论文研究目标和意义 (3)第2章方案论证与设计 (4)2.1总体设计分析 (4)2.2方案的选择与设计 (4)2.2.1高效率功率放大器 (4)2.2.2信号变换电路 (7)2.2.3功率测量电路 (7)2.3方案确定 (7)第3章硬件电路设计 (9)3.1原理分析 (9)3.1.1脉宽调制器 (9)3.1.2前置放大电路 (11)3.1.3驱动电路 (12)3.1.4 H桥互补对称输出及低通滤波电路 (12)3.1.5信号变换电路 (13)3.1.6功率测量 (13)3.1.7保护电路 (14)第4章电路调试 (15)4.1调试的设备 (15)4.2调试步骤 (15)4.2.1电路调试 (16)第5章使用说明 (19)5.1 使用方法 (19)5.1.1 D类功放的安装 (19)5.1.2 D类功放的调节 (19)5.2故障分析 (19)5.2.1三角波电路故障分析 (19)5.2.2输出功率和效率不高 (19)结论 (21)参考文献 (22)致谢 (23)附录一原理图 (24)附录二 PCB图 (25)附录三元件清单 (26)第1章绪论1.1课题概述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，播放动态的语言和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。