D类功放原理与设计
D 类放大高效率音频功率放大器电路图原理
D类放大高效率音频功率放大器电路图原理为提高功放效率，以适应现代社会高效、节能和小型化的发展趋势，以D类功率放大器为核心，以单片机89C51和可编程逻辑器件（FPGA）进行控制及时数据的处理，实现了对音频信号的高效率放大。
系统最大不失真输出功率大于1W,可实现电压放大倍数1~20连续可调，并增加了短路保护断电功能，输出噪声低。
系统可对功率进行计算显示，具有4位数字显示，精度优于5%。
传统的音频功率放大器主要有A类（甲类）、B类（乙类）和AB（甲乙类）。
A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器件，它的优点是输出信号的失真比较小，缺点是输出信号的动态范围小、效率低，理想情况下其最高效率为50%.B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50%,它的优点是在理想情况下效率可达78.5%,但缺点是会产生交越失真，增加噪声。
AB类（甲乙类）功率放大器是以上两种放大器的结合，每个功率器件的导通时间在50%~100%之间，兼有甲类失真小和乙类效率高的特点，其工作效率介于二者之间。
传统音频功率放大器效率偏低，体积偏大的缺点与音频功率放大高效、节能和小型化的发展趋势的矛盾，催生了D类（丁类）音频功率放大器出现和发展。
本系统即采用D类功率放大实现，并用单电源供电，符合现代社会对电源小巧、便携要求的实际需要。
1系统方案论证与选择1.1整体方案方案①：数字方案。
输入信号经前置放大调理后，即由A/D采入单片机进行处理，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完全反向的PWM 波给入后级功率放大部分，进行放大。
此种方案硬件电路简单，但会引入较大数字噪声。
方案②：硬件电路方案。
三角波产生及比较、PWM产生仍由硬件电路实现，此方案噪声较小、且幅值能做到更大，效果较好，故采用此方案。
1.2三角波产生电路设计方案①：利用NE555产生三角波。
该电路的特点是采用恒流源对电容线性冲、放电产生三角波，波形线性度较好、频率控制简单，信号幅度可通过后加衰减电位器控制。
D类功放原理与设计
D类功放原理与设计D类功放是一种利用数字技术来增强音频信号的功率的放大器。
它是一种以数字方式来放大音频信号的功放，以取代传统的A、B、AB类功放。
相较于传统的类A、B、AB功放，D类功放具有更高的效能和更小的体积。
它的设计原理基于PWM（脉宽调制）技术和一个能将模拟信号转换为数字信号的模拟-数字转换器（ADC）。
D类功放工作在开关状态，将输入的模拟音频信号转换为数字信号。
这个数字信号经过时钟和滤波器的处理，输出的是一个PWM波形。
PWM波形有两个状态，即高电平和低电平。
这两个状态之间的切换频率即为PWM频率。
高电平和低电平的占空比（高电平的时间占总周期的比例）根据输入音频信号的幅度进行调整。
PWM波形输出通过一个低通滤波器进行平滑处理，得到放大后的音频信号。
在这个过程中，由于D类功放开关状态的工作，功率损耗很小，效率非常高，达到了90%以上，远高于传统功放的30%～60%。
D类功放的优势不仅体现在效率上，还包括尺寸小、重量轻、发热量少等。
这使得D类功放非常适合应用在便携式电子设备、汽车音响和家庭影院等领域。
另外，由于D类功放的输出波形是PWM波形，因此它对输出的音频信号几乎没有非线性失真，能够提供高保真的音质。
在设计D类功放时，需要考虑以下几个方面：首先，要选择合适的ADC和PWM控制器。
ADC应具有高精度和高采样率，能够准确地将模拟信号转换为数字信号。
PWM控制器应具有稳定的时钟频率，能够产生高质量的PWM波形。
其次，要设计合适的滤波器。
滤波器的作用是平滑PWM波形，去除其中的高频成分。
设计滤波器时需要考虑的参数有截止频率、阶数和选择合适的滤波器类型（如二阶有源滤波器）。
另外，还需要设计适当的保护电路。
因为D类功放工作在高频开关状态，过电流、过压和过热都可能对电路造成严重损害。
因此，需要设计过电流保护电路、过压保护电路和过热保护电路来确保功放的稳定运行和安全性能。
最后，输出级的功率管选取也是设计D类功放时需要考虑的关键问题。
D类功放原理与设计
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1、功率MOS管驱动芯片的选择： 上升，下降时间短，死区时间较短的驱动芯片
2、功率MOS管的选择： RDSON小，Qg较小MOS管
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2
1.1 功率放大电路分类
电路中晶体管的工作状态（按一个周期导通的角度大小划分）
甲类（class-A）： 360 乙类（class-B）： 180 甲乙类（class-AB）： >180 丙类（class-C）： <180 丁类（class-D）： 开关状态
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3
工作波形
iC
2π
IC
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Functional Block Diagram
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18
Typical Connection
充电二极管：肖课件
19
3.5 输出滤波电路设计
输出滤波器通常选择二阶巴特沃斯LC低通滤波器。 归一化传递函数
（1） 半桥LC滤波器设计
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π
3π
A类
效率低 ≤50% 。
O
ωt
iC
O
B类
ωt
效率 ≤78.5% 。
iC
AB类
IC O
ωt
效率 接近乙类
i C
C类
O
ωt
iC
效率 最高。
D类
O
ωt
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4
1.2 D类功率放大电路
D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。
放大元件要么处于截止状态，要么导通状态，晶体管相当于一 个理想开关而不消耗能量。在理想情况下，效率为100%。
D类音频放大器设计：概念、原理和方法(上)
D类放大器首次提出于1958年，近些年已逐渐流行起来。
那么，什么是D类放大器?它们与其它类型的放大器相比如何? 为什么D类放大器对于音频应用很有意义?设计一个“优质”D类音频放大器需要考虑哪些因素? 美国模拟器件公司(简称ADI公司)D类放大器产品的特点是什么? 本文中试图回答上述所有问题。
D类放大器的优点在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。
实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器，AB类放大器和B类放大器。
与D类放大器设计相比较，即使是最有效的线性输出级，它们的输出级功耗也很大。
这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板(PCB)面积和成本，并且能够延长便携式系统的电池寿命。
线性放大器、D类放大器和功耗线性放大器输出级直接连接到扬声器(有些情况下通过电容器连接)。
如果输出级使用双极结晶体管(BJT)，它们通常工作在线性方式下，具有大的集射极电压。
输出级也可以用互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管实现，如图1所示。
图1 CMOS线性输出级功率消耗在所有线性输出级，因为产生输出电压VOUT的过程中不可避免地会在至少一个输出晶体管内造成非零的IDS和VDS。
功耗大小主要取决于对输出晶体管的偏置方法。
A类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流(DC)电流源，能够提供扬声器需要的最大音频电流。
A类放大器输出级可以提供优良的音质，但功耗非常大，因为通常有很大的DC偏置电流流过输出级晶体管(这是我们不期望的)，而没有提供给扬声器(这是我们期望的)。
B类放大器拓扑结构没有DC偏置电流，所以功耗大大减少。
其输出晶体管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流。
由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。
但是B类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差(交越失真)。
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类功放的原理
D类开关放大器的概念源于50年前，但因其工作频率至少应为音频信号上限频率（20kHz）的4~5倍，早期采用电子管、晶体管的电路在功率、效率等方面还不能充分体现其优越性。
20世纪80年代出现了开关速度和导通损耗满足要求的MOSFET，近年来又出现了集成前置驱动电路，如Harris公司的HIP4080，从而推动了D类功放的实用发展。
D类功放所用的MOSFET为N沟道型，因为N型沟道MOSFET的导通损耗仅为相应规格的P沟道MOSFET的1/3。
传统的音频功率放大器有A类、AB类、B类、C类等几种，其功率放大器件（电子管、晶体管、场效应管、集成电路等）均工作于线性放大区域，属线性放大器，其效率普遍不高，通常AB类放大器的效率不会超过60%。
采用D类开关放大电路可明显提高功放的效率。
D类功放将音频信号转变为宽度随信号幅度变化的高频脉冲，控制功率管以相应的频率饱和导通或截止，功率管输出的信号经低通滤波器驱动扬声器发声。
因功率管大部分时间处于饱和导通和截止状态，功率损耗很小，其效率可达90%以上。
典型的D类功放可提供200W输出，效率达94%，谐波失真在1%~2.8%。
D类功放保真度不如线性放大器，但在很多场合已能满足要求，例如汽车音响系统只要求低功率输出时失真小于2%，满功率输出时小于5%，而且经过改进D类功放的性能还将有所提高。
另外，D类功放不存在交越失真。
D类开关放大器由积分器、占空比调制器、开关驱动电路及输出滤波器组成，图1(a)所示的电路为采用半桥驱动的D类功放，它采用了固定频率的占空比调制器，功率管输出的方波信号与音频信号混合作为负反馈信号送入积分器。
积分器兼有滤波作用，输出修正信号送占空比调制器，占空比调制器由比较器和三角波发生器组成[图1(b)]，用修正信号对三角波进行调制产生调制输出，推动功率管工作。
负反馈应取自低通滤波器之前，否则因滤波后的信号与输入的信号有相位差（二阶滤波器可能引起180°的相位差），可能引起电路自激，需采用复杂的相位补偿电路。
11.D类功率放大器
D类功率放大器一．原理D类功放也称为数字功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。
传统模拟放大器有甲类、乙类、甲乙类和丙类等。
一般的小信号放大都是甲类功放，即A类，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以，能量转换效率很低，理论效率最高才25%。
乙类放大，也称B类放大不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效卒高达78 5%。
但因为这样的放大，小信号时失真严重实际电路都要略加一点偏置，形成甲乙类功放，这么一来效率也就随之下降。
虽然高频发射电路中还有一种丙类，即C类放大，效率可以更高，但电路复杂、音质更差，音频放大中一般都不采用。
这几种模拟放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号的大小控制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自身也在消耗电能。
D类功放采用脉宽调制（PWM）原理设计，其功放管工作在开关状态。
在理想情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗。
它在实际的工作中的功率消耗所示：主要由两部分构成：转换损耗和I2R损耗。
转换损耗如图1-1当开关式放大器输出在接通和断开之间切换，或断开和接通之间切换时通过线性区域而消耗功率。
在D类功放中开关管如果采用的是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET管），它的开关导通电阻较小一般远远小于1Ω，所以I2R损耗相对来说还是很小的。
当达到最大额定功率时，D类放大器的效率在80％到90％的范围内。
在典型的听音条件下，效率也可达到65％到80％左右，约为AB类放大器的两倍以上。
D类放大器可分为数字D类放大器与模拟D类放大器两类，数字D类放大器一般用于数字音响领域，如CD信号的功率放大。
模拟D类放大器一般可分为前置放大级、PWM调制、功率放大与低通滤波四个部分。
其中PWM调制和功率放大是D类放大器的核心，PWM调制的一般方案有：（1）采用PWM调制芯片产生PWM信号，此类芯片可方便的产生PWM信号，但一般对电源有要求，不利于整机单5v供电，并且很多情况下产生的PWM型号为方波。
单通道d类功放
单通道d类功放
单通道D类功放指的是一种音频功放（放大器），采用D类放大技术，也称为PWM（脉冲宽度调制）放大技术。
D类功放相对于传统的A类、B类功放而言，在功率效率上有很大的提高。
以下是一些关于单通道D类功放的特点和工作原理：
高效能：D类功放以其高效的能量转换而著称。
由于其工作原理，D类功放几乎不会在没有输出信号时消耗能量，使其在功率放大方面更为高效。
脉冲宽度调制（PWM）：D类功放使用PWM技术，即通过调整脉冲的宽度来控制输出信号的幅度。
这样的技术使得功率放大器在不同功率需求下能够更有效地工作。
小型轻便：相对于传统的A类、B类功放，D类功放通常更小巧轻便，适合在有空间限制的环境中使用。
适用于低频信号：D类功放在处理低频信号方面表现出色，适合用于音响系统和低音炮等需要高功率低频放大的场合。
应用领域：D类功放常用于汽车音响、家庭影院、音响音箱、低音炮等音频应用。
其高效能和小型化的特点使其在一些应用中得到广泛应用。
需要注意的是，尽管D类功放在功率效率上有很多优势，但在一些对音质要求非常高的专业音响应用中，一些人可能更倾向于使用A 类或AB类功放，这是因为D类功放在一些情况下可能引入一些数字失真。
1。
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1、功率MOS管驱动芯片的选择： 上升，下降时间短，死区时间较短的驱动芯片
2、功率MOS管的选择： RDSON小，Qg较小MOS管
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2.3 输出PWM信号频谱与低通滤波器
(1) 输出PWM信号的频谱
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(2) 二阶巴特沃斯低通滤波器
fc=1KHz
fc=8KHz
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3 D类功放单元电路设计
3.1 D类功放总体架构
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3.2 PWM调制电路
三角波产生电路: 专用芯片 运放构成的三角波产生电路
三角波频率：300KHz~600KHz
式。放大元件要么处于截止状态，要么导通状态，晶体管相
当于一个理想开关而不消耗能量。在理想情况下，效率为
100%。
D类功放的特点：
优点：
高效； 散热小; 体积小； 适合大功率放大器。
缺点：
信号失真较为严重。 图1 400W D类功放模块
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2 D类功放电路结构与工作原 理
2.1 D类功放电路结构
(1) 信号调制电路：模拟信号转换为脉宽与信号幅度成正比 的方波(PWM)。 (2) 开关放大电路：将输入方波进行功率放大。 (3) 低通滤波电路：滤除高次谐波，将放大后的信号加到负 载上。。
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2.2 D类功放工作原理
简化的D类功放电路结构
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fs=1KHz; fT=20KHz
D类功放原理与设计
Wu Yangbo Faculty of information science & technology
Ningbo university 2011年7月
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1 概述
能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功 率放大电路，简称功放。
功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯 追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下， 输出尽可能大的功率。
比较器：集成电压比较器LM311
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3.2 功率输出电路
(1) 半桥功率输出电路
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(2) 全桥功率输出电路
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(3) 实验室现有的功率MOSFET
IRF540
IRF640
IRF3710
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3.4 MOSFET驱动电路
通常采用专用的驱动芯片。实验室现有IR公司 的驱动芯片，具体型号: IR2104, IR2110, IR2111…….. 以IR2104为例说明使用方法。
功放电路的要求： Pomax 大，三极管极限工作 = Pomax / PV 要高
失真要小
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1.1 功率放大电路分类
电路中晶体管的工作状态（按一个周期导通的角度大小划分）
甲类（class-A）： 乙类（class-B）： 甲乙类（class-AB）： 丙类（class-C）： 丁类（class-D）：
（2） 全桥LC滤波器设计
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给定RL和fc, L 、C 参数表
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（3） 实际的全桥LC滤波器
这两个小电容用来滤除高频噪声，取值为20%的CL。
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4 性能分析与改善
（1）
（3）
（5）
（2）
（4）
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功率MOS管栅极驱动信号的时序误差是输出信号非线性 失真的主要来源。
驱动信号的死区时间是其中最主要的因素。
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Functional Block Diagram
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Typical Connection
充电二极管：肖特基二极管
自举电容：钽电解
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3.5 输出滤波电路设计
输出滤波器通常选择二阶巴特沃斯LC低通滤波器。 归一化传递函数 （1） 半桥LC滤波器设计
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360 180 >180 <180
开关状态
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工作波形
iC
2π
IC
π
O iC
O iC
IC O i
C
O iC
O
3π
A类
ωt
效率低 ≤50% 。
B类
ωt
效率 ≤78.5% 。
AB类
ωt
效率 接近乙类
C类
ωt
D类
ωt
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效率 最高。
1.2 D类功率放大电路
D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模