.d类功率放大器
D 类功率放大器
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， 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主要由 两部分构成：转换损耗和I 2
F 损耗.转换损耗如图1-1所示：
当开关式放大器输出在 宀"」2、亠 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(MOSFE 管)，它的开关导通电阻较 小一般远远小于1Q,所以I 2
R 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.
(2) 自己搭建PWM 调制器，采用运放进行比较积分产生 PWM 信号. 1. PWM 调制分析
(1)从能量的角度来看，在每个 t 时间内，正弦波与所对应的脉宽波所包
图1-1转换损耗的产生 PWM (开关揑制
转携损耗区
含的能量等，这样调制后得到的脉宽调制波作用在一个惯性系统（ RLC ）后，其
效果与响应的正弦波相同.
（2）从频域角度分析，三角波经过调制得到典型的正弦脉宽调制波形：
这种周期信号的频谱对应离散谱，对于信号频率为f o ，载频频率为f i 的调制信号, 其频谱主要分布在f o , nf i （ n （1,））谱线上.当f i f o 时，调制信号通过低通滤 波器后，载频衰减极大，容易分离出语音信号.
2 D 类功放的交越失真
理论上D 类功放在信号处理上不存在失真，因为通过PWM 技术已将音频信号 的幅度变化转变成等幅脉冲的脉冲宽度变化，音频信号的所有信息都包含在脉宽 变化上，即使波形有所畸变也可通过波形校正电路进行校正， 以保证还原后音频
信号不失真.但事实并非如此，从音频信号的脉宽调制到功率音频信号的输出， 每一
个环节都可能产生失真，其中危害最大的当数交越失真
.
（1） PWM B 制与交越失真
在音频信号的脉宽调制电路中，由于语音、音乐信号波形的不规则性、不对 称性，常需要将时间轴上方的波形和时间轴下方的波形分别进行脉宽调制，
虽然
不需要考虑AB 类功放的偏置电压，但需考虑推挽管在交替导通时必须有一定的 时间间隔，否则会出现两只功率管的直通现象，所以这种电路本身也需要死区 .
既然存在死区，就不可避免地会产生交越失真 .
（2） SPW 调制与交越失真
将一个正弦信号直接与一个三角载波比较，可得到
SPW 信号，该信号通过
驱动电路去驱动全桥或半桥电路，在正负半周的交界处有较为明显的空档， 说明 PWM 言号的有些脉冲在经开关的死区时间时丢失了 .一般来说，功率管的额定功 率越大，最高开关频率就越低.音频信号幅度很小时，调制后对应的脉冲很窄， 功率管没有足够高的开关频率，则无法将其分辨出来 .信号幅度越低，PWM 脉冲 就越窄，交越失真越严重.
3.原理方框图
一般的脉宽调制D 类功放的原理框图如图1-2所示.图1-3为其各点工作波 形示意图，其中（a ）为输入信号；（b ）为锯齿波与输入信号进行比较的波形；
1
L 1
h
11
丄
（C）为调制器输出的脉冲（脉宽波形）；（d）为功率放大器放大后的脉宽脉冲; （e）为低通滤波后的放大信号.
V0
Iz1
图1-2 D 类功放原理方框图
VI
V3
0.E
V3
Q S
-1
图1-3各点波形
具体电路
根据图1-2采用模拟PWM调制的类功放原理方框图，所设计的具体电路如下（根据第五届全国大学生电子线路设计大赛的D题要求）：
1.三角波产生电路：
三角波是对输入音频信号进行抽样的载波，因为音频信号频率是从20Hz到20kHz,为了达到较好的还原效果，三角波频率应该远大于音频.综合考虑保真度及整机复杂度，在这里三角波的频率选取150k,利用双运放NE5532来完成三角波产生电路.前一级运放构成施密特触发器，输出为高电平为VCC低电平为零的方波.后一级运放与C构成积分器，当前一级产生的方波占空比为50%时，输出为上升下降时间相等的三角波.因为PWM调制时，要求三角波与输入信号的直流电平一致，所以这里用电位器来调节其直流电平.电路图如图2-1所示. 三角波的幅值为：
V out 0.45V
220
三角波的频率为:
159kHz
2.前置放大电路：
因为输入的音频信号幅度比较小，所以要先前置放大再与三角波进行比较 . 通过调节反馈电阻的大小就可以实现增益 0到20倍可调.因为整个功率放大电路 都使用5v 供电，而输入信号有正有负，所以在输入端要对信号加上 2.5V 的直流
偏置.电路图如图2-2所示.
图2-2前置放大电路
3. PWM 调制电路：
利用高精度的比较器 LM311对输入信号和三角波进行比较，通过调节同相 端的
电位器可以调节输入信号的直流电平， 必须保证输入信号与三角波的直流电
平相等，才能使最终经滤波后得到的波形不失真•因为LM311
的输出端是集电极
Cl
luf
J IK
一口
亠 Tfofee <nj
t
4-
R 2 4RR 3C
51K
■
4-
HEJi 54
开路结构，所以必须加上拉电阻•电路图如图2-3所示.
图2 — 3比较电路
5. H 桥开关功放及低通滤波器：
四个场效应管驱动一大电流进入低阻抗感性负载， 场效应管轮流成对导通， 当一对导通时另一对就截止；为了避免两对场效应管同时处于导通或截止状态， 电路应该保证一对场效应管导通和另一对场效应管截止不会重叠， 这就要求从前
vr
LbGll
In
][
7R1
4.驱动电路：
从PWM 调制器出来的PWM 波形的上升下降时间有点大，所以要通过非门 来整形.如果直接将非门输出的信号接到场效应管的栅极，电压会被拉低，所以 要加三极管来驱动.通过非门并联的方式来增加电流来驱动三极管的基极，三极
图2 — 4驱动电路
面的驱动电路出来的信号上升下降时间很短.受调制的方波总是使功率开关管尽 可能快的改变状态，缩短了场效应管工作在线性工作区的时间， 使效率大大提高.
滤波器的作用是滤除载波，使输入的音频信号完全通过.所以设计滤波器要 使20到20kHz 的通频带尽可能平坦，150k 的载波要衰减尽可能大.在这里使用 的是四阶巴特洛斯滤波器，它具有高频衰减快的优点，通过PSPICE 软件模拟后， 最后确定 C1= 1uF ，C2 = 0.68uF , L1 = 22uH ，L2= 47uH.电路图如图 2-5 所示.
I I
1
]l
1
I
1
1
I J
I Dtafg q
图2 - 5 H 桥互补对称输出、低通滤波电路
6.信号变换电路：
电路要求将双端转换为单端输出，在这里用运放OP07可以满足20k 的带宽要求. 在这里取 R1= R2= R3= R4 = 22k ,
Eftl-PQ
LI 讼
fa
Rl 1
II
II
u ___
4?uh
1~
b dtur
Cl ，
使增益为1.电路图如图2-6所示.
总结
近年来，由于便携式音频设备、计算机多媒体设备以及汽车音响的迅速发展
，
对功率放大器的效率和体积提出了非常高的要求.D类放大器由于工作在开关状
态，效率可高出线性放大器2〜3倍,因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积，在体积、效率和功耗要求较高的场合具有很大的优势.并且随着器件工艺水平的提高，D类放大器在成本上也已经可以接受.。
A、B、AB、D类音频功率放大器
D类音频功率放大器（Class D Audio Power Amplifier）近二十年来电子学课本上所讨论的放大器偏压(Bias)分类不外乎A类、B类、C类等放大电路，而讨论音频功率放大器仅强调A类、B类、AB类而却把D类放大器给忘掉了，事实上D类放大器早在1958年已被提出(注一)，甚至还有E 类、F类、G类、H类及S类等(注二)，只是这些类型的电路与D类很接近，运用机会低，所以也就很少被提及。
音频功率放大器最大目的在提供喇叭得到最大功率输出，而卫衍生与电源所供给功率不对等的关系，即所谓功率放大器的效率(输出功率与输入功率之比)如表一所示:偏压分类A类AB类B类D类理想效率25% 介于A与B类之间78.5% 100%表一各類功率放大器的效率比随着轻、薄、短、小手持电子装置的发展，诸如手机、MP3、PDA、IPOD 及LCD TV…数位家庭等，寻求一个省电的高效率音频功率放大器是必然的。
因此最近几年音频功率放大器由AB类功率放大器转以D类功率放大器为主流。
如图1所示(注三)，在实际应用上D类放大效率可达90%以上远超过效率50%的AB类放大。
所以D类放大的晶体管散热可大大的缩小，很适合应用于小型化的电子产品。
圖 1 D類及AB 類效率比較A类放大器(又称甲类放大器)的特点是不论是否输入信号，其输出电路恒有电流流通，而且这种放大器通常是在特性曲线的线性围操作，如图2所示，以求放大后的信号不失真。
所以它的优点，是失真度小，信号越小传真度越高，最大的缺点是“功率效益”（Power Efficiency）低，最大只有25%，不输入信号时丝毫不降低消耗功率，极不适合做功率放大。
但因其高传真度，部分高级音响器材仍采用A类放大器。
图1图2(a)、(b)皆属A类放大器，设计时让V CE=1/2V CC，以求最大不失真围。
注意到V i不输入时仍有0.5V CC/R L的电流流过晶体管，所以晶体管需要良好的散热环境。
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。
d类功率放大器特点
d类功率放大器特点D类功率放大器是一种高效率的功率放大电路，主要用于对高功率信号进行放大。
它的特点是具有高效率、低失真、小尺寸、低成本和高稳定性等优点。
D类功率放大器的高效率是其最显著的特点之一。
传统的A类功率放大器在工作过程中会产生较大的静态功率损耗，而D类功率放大器通过不同的工作方式，使得输出功率信号的平均功率损耗大大降低。
这是因为D类功率放大器在放大过程中，只有输入信号大于某个阈值时，才会开启功率放大器进行放大，而在其余时间内功率放大器处于关断状态，从而大大减少了功率损耗。
D类功率放大器具有较低的失真。
传统的A类功率放大器在放大过程中，由于电流和电压都是连续变化的，会产生较大的非线性失真。
而D类功率放大器采用开关式工作方式，只需要对输入信号进行开关控制，从而有效降低了失真程度。
此外，D类功率放大器还可以通过一些技术手段，如负反馈、预失真等来进一步降低失真。
第三，D类功率放大器具有较小的尺寸。
由于D类功率放大器具有高效率和较低的功率损耗，因此可以采用较小的散热器和功率器件，从而使整个功率放大器的尺寸变小。
这对于一些对空间要求较高的应用场景，如便携式音箱和车载音响等非常有利。
第四，D类功率放大器具有较低的成本。
由于D类功率放大器采用的器件和散热系统相对较小，而且由于其高效率特点，使得其在制造成本上有一定的优势。
这使得D类功率放大器的成本较低，更加适合大规模生产和应用。
D类功率放大器具有较高的稳定性。
由于D类功率放大器采用开关式工作方式，输出信号的稳定性主要取决于开关控制电路的设计和实现。
在现代电子技术的支持下，可以通过采用精确的控制电路和反馈机制，使D类功率放大器具有较高的稳定性，能够在不同的工作条件下保持较好的放大性能。
D类功率放大器具有高效率、低失真、小尺寸、低成本和高稳定性等特点。
它在音频放大、功率放大和无线通信等领域得到了广泛的应用。
随着科技的不断进步和电子技术的不断发展，D类功率放大器还将继续发展和完善，为各种应用场景提供更加高效、稳定和优质的功率放大解决方案。
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类功率放大器
探讨D类功率放大器摘要：我国经济的飞速发展，丰富了居民物质生活需要，一些家电用品在科学技术的飞速带动下，其更新速度越变越快。
在音频这快速发展的这几十年里，各种技术类型的音频功率放大器充斥着市场，先有a类，后有b类，而后就是ab类的音频功率放大器。
同时在居民对音响效果的追求，科学技术也在这方面发展，d类功率放大器正成为消费者首选。
d类功率放大器具有比较多的优点，其功耗低，产生的热量也比较少，一方面还可以节省许多的印制电路板的面积与制造成本，另一方面可以有效的延长该器械中的电池寿命。
d类功率放大器的原理是透过控制开关的单元中的on/off，在此基础上，比较好的驱动其内部的扬声器的放大器。
由于d类功率放大器的发展历程短，其系统与音频质量还需提高。
本文从d类功放的发展背景、诞生的缘由、功率放大器的基本组成等方面叙述，在此基础上，探讨传统功放与d类功放的比较。
关键词：音频领域；印制电路板；音响效果；扬声器；功耗低家庭影院自上世纪80年代兴起后，现代的家庭影音系统开始有着质的飞跃，可以在瞬间得到众多观众的喜爱，尤其在年轻一代中广受欢迎，并且飞速的进入消费者的家中。
随着信息技术的发展，家庭影音系统正在这些技术的带动下，其技术质量、音响效果等越来越受完美，许多电子技术的爱好者也希望能够自己独立完成按照自己意愿设计的家庭影音系统，这一逐渐成为社会年轻人的一大发展趋势。
一、d类功率放大器的概述几十年在音频领域中，a类，b类，ab类音频功率放大器一直占据统治地位。
音频功率放大器发展经历了这样的几个过程：所有器件从电子管、晶体管到集成电路的过程：电路组成从单管到推挽的过程：电路形成从变压器输出到otl、ocl、btl的形式过程。
其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。
全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备的环保要求。
迫使人们开发，高效、节能、环保、数字化的音频功率放大器，它应该具有工作效率高，便于与其它数字化设备相连接的特点。
功放 d类
D类功放（也称为数字功放）是一种高效的音频放大器，它采用脉宽调制（PWM）技术，将音频信号转换为脉冲宽度调制信号，然后通过一个高效的开关放大器放大，最后再通过一个低通滤波器还原成原始的音频信号。
D类功放具有很高的效率，因为它的开关放大器只在需要时才导通，从而避免了线性放大器中的能量损失。
这使得D类功放的效率高达90%以上，相比之下，传统的线性功放效率通常只有50%左右。
此外，D类功放还具有很小的体积和重量，因为它的开关放大器可以集成在一块芯片上，而且不需要像线性功放那样需要散热片。
由于D类功放的优点，它已经广泛应用于各种音频设备中，例如多媒体电脑、家庭影院、数字电视、音频处理设备和汽车音响等。
A类、B类、AB类、C类、D类五种功率放大器
A类、B类、AB类、C类、D类五种功率放大器1、A类功放（又称甲类功放）A类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。
当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。
当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。
A类功放的工作方式具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失真（Switching Distortion），即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是声音最理想的放大线路设计。
但这种设计有利有弊，A类功放放最大的缺点是效率低，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。
当讯号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。
A类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。
A类功率功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A类功放必须采用大型散热器。
因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。
一部25W 的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。
所以A类机的体积和重量都比AB类大，这让制造成本增加，售价也较贵。
一般而言，A类功放的售价约为同等功率AB类功放机的两倍或更多。
2、B类功放（乙类功放）B类功放放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。
当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。
纯B类功放较少，因为在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。
B类功放的效率平均约为75%，产生的热量较A类机低，容许使用较小的散热器。
A类、B类、AB类、C类、D类五种功率放大器
1、A类功放（又称甲类功放）A类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。
当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。
当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。
A类功放的工作方式具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失真（Switching Distortion），即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是声音最理想的放大线路设计。
但这种设计有利有弊，A类功放放最大的缺点是效率低，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。
当讯号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。
A类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。
A类功率功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A类功放必须采用大型散热器。
因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。
一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。
所以A类机的体积和重量都比AB类大，这让制造成本增加，售价也较贵。
一般而言，A类功放的售价约为同等功率AB类功放机的两倍或更多。
2、B类功放（乙类功放）B类功放放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。
当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。
纯B类功放较少，因为在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。
B类功放的效率平均约为75%，产生的热量较A类机低，容许使用较小的散热器。
乙类功放通常的工作方式分为OCL和BTL，BTL可以提供更大的功率，目前绝大部分的功率集成电路都可以用两块组成BTL电路。
D类数字功率放大器
3.3 D类数字功放D类功放也叫丁类功放;是指功放管处于开关工作状态的功率放大器..早先在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地;认为A类功放声音最为清新透明;具有很高的保真度..但A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾..后来效率较高的B类功放得到广泛的应用;然而;虽然效率比A类功放提高很多;但实际效率仍只有50%左右;这在小型便携式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合;仍感效率偏低不能令人满意..所以;如今效率极高的D类功放;因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视;并得到广泛的应用..3.3.1 D类功放的特点与电路组成1．D类功放的特点1效率高..在理想情况下;的效率为100%实际效率可达90%左右..B类功放的效率为78.5%实际效率约50%;A类功放的效率才50%或25%按负载方式而定..这是因为的放大元件是处于开关工作状态的一种放大模式..无信号输入时放大器处于截止状态;不耗电..工作时;靠输入信号让晶体管进入饱和状态;晶体管相当于一个接通的开关;把电源与负载直接接通..理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电;实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能..2功率大..在D类功放中;功率管的耗电只与管子的特性有关;而与信号输出的大小无关;所以特别有利于超大功率的场合;输出功率可达数百瓦..3失真低..D类功放因工作在开关状态;因而功放管的线性已没有太大意义..在D类功放中;没有B类功放的交越失真;也不存在功率管放大区的线性问题;更无需电路的负反馈来改善线性;也不需要电路工作点的调试..4体积小、重量轻..D类功放的管耗很小;小功率时的功放管无需加装体积庞大的散热片;大功率时所用的散热片也要比一般功放小得多..而且一般的D类功放现在都有多种专用的IC芯片;使得整个D类功放电路的结构很紧凑;外接元器件很少;成本也不高..2．D类功放的组成与原理D类功放的电路组成可以分为三个部分：PWM调制器、脉冲控制的大电流开关放大器、低通滤波器..电路结构组成如图3.22所示..图3.22 D类功放的组成其中第一部分为PWM调制器..最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成..把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端;另外通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端..当正端上的电位高于负端三角波电位时;比较器输出为高电平;反之则输出低电平..若音频输入信号为零时;因其直流偏置为三角波峰值的1/2;则比较器输出的高低电平持续的时间一样;输出就是一个占空比为1：1的方波..当有音频信号输入时;正半周期间;比较器输出高电平的时间比低电平长;方波的占空比大于1：1；音频信号的负半周期间;由于还有直流偏置;所以比较器正输入端的电平还是大于零;但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少;方波占空比小于1：1..这样;比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形;称为PWMPulse Width Modulation脉宽调制或PDMPulse Duration Modulation脉冲持续时间调制波形..音频信息被调制到脉冲波形中;脉冲波形的宽度与输入的音频信号的幅度成正比..第二部分为脉冲控制的大电流开关放大器..它的作用是把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号..能够输出的最大功率由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定..第三部分为由LC网络构成的低通滤波器..其作用是将大功率PWM波形中的声音信息还原出来..利用一个低通滤波器;可以滤除PWM信号中的交流成份;取出PWM信号中的平均值;该平均值即为音频信号..但由于此时电流很大;RC结构的低通滤波器电阻会耗能;不能采用;必须使用LC低通滤波器..当占空比大于1：1的脉冲到来时;C的充电时间大于放电时间;输出电平上升；窄脉冲到来时;放电时间长;输出电平下降;正好与原音频信号的幅度变化相一致;所以原音频信号被恢复出来..D类功放的工作原理见图3.23..a原理简图 b工作波形图3.23D类功放原理图对于数字音频信号输入时;经数字内插滤波器和等比特调制器后;即可得到脉冲宽度与数字音频的采样点数据成正比的PWM信号..其中数字内插滤波器是在数字音频信号的数据之间再插入一些相关联的数据;以内插方式提高数字音频信号的采样点数采样频率;等比特调制器是将数字信号的数据大小转换为脉冲的宽度;使输出信号的脉冲宽度与输入数据的大小成正比..3．D类功放的要求1对功率管的要求..D类功放的功率管要有较快的开关响应和较小的饱和压降..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;更重要的是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;管子的饱和压降小不但效率高;且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;限制了D类功放的发展;现在小电流控制大电流的MOSFET已在Hi-Fi功放上得到广泛应用..2对PWM调制电路的要求..PWM调制电路也是的一个特殊环节;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三角波的频率应在音频信号频率的10~20倍以上..当频率过低时要达到同样要求的THD总谐波失真标准;则对无源LC低通滤波器的元件要求就高;结构复杂..如果三角波的频率高;输出波形的锯齿小;就能更加接近原波形;使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构成低通滤波器;造价相应降低..但是;晶体管的开关损耗会随频率的上升而上升;无源器件中的高频损耗、射频的聚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..而在实际的中小功率D类数字功放中;当三角波的频率达到500kHz以上时;也可以直接由扬声器的音圈所呈现的电感来还原音频信号;而不用另外的LC低通滤波器..另外在PWM调制器中;还要注意到调制用的三角波的形状要好、频率的准确性要高、时钟信号的抖晃率要低;这些参数都会影响到后面输出端由LPF所复原的音频信号的波形是否与输入端的原音频信号的波形完全相同;否则会使两者有差异而产生失真..3对低通滤波器的要求..位于驱动输出端与负载之间的无源LC低通滤波器也是对音质有重大影响的一个重要因数..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..近年来;一般应用的已有集成电路芯片;用户只需按要求设计低通滤波器即可..4D类功放的电路保护..D类功率放大器在电路上必须要有过电流保护及过热保护..此二项保护电路为D类功率IC或功率放大器所必备;否则将造成安全问题;甚至伤及为其供电的电源器件或整个系统..过电流保护或负载短路保护的简单测试方法：可将任一输出端与电源端Vcc或地端Ground 短路;在此状况下短路保护电路应被启动而将输出晶体管关掉;此时将没有信号驱动喇叭而没有声音输出..由于输出短路是属于一种严重的异常现象;在短路之后要回到正常的操作状态必需重置Reset放大器;有些IC则可在某一延迟Delay时间后自动恢复..至于过热保护;其保护温度通常设定在150°~160°C;过热后IC自动关掉输出晶体管而不再送出信号;待温度下降20°C~30°C之后自动回复到正常操作状态..5D类功放的电磁干扰..D类功率放大器必须要解决AB类功率放大器所没有的EMIElectro Magnetic Interference;电磁干扰问题..电磁干扰是由于D类功率放大器的功率晶体管以开关方式工作;在高速开关及大电流的状况下所产生的..所以D类功放对电源质量更为敏感..电源在提供快速变化的电流时不应产生振铃波形或使电压变化;最好用环牛变压器供电;或用开关电源供电..此外解决EMI的方案是使用LC电源滤波器或磁珠bead滤波器以过滤其高频谐波..中高功率的D类功率放大器因为EMI太强目前采用LC滤波器来解决;小功率则用Bead处理即可;但通常还要配合PCB版图设计及零件的摆设位置..比如;采用D类放大器后;D类放大器接扬声器的线路不能太长;因为在该线路中都携带着高频大电流;其作用犹如一个天线辐射着高频电磁信号..有些D类放大器的接线长度仅可支持2cm;做得好的D类放大器则可支持到10cm..3.3.2 D类功放实例下面以荷兰飞利浦公司生产的TDA8922功放芯片为例;对D类功放电路进行介绍..TDA8922是双声道、低损耗的D类音频数字功率放大器;它的输出功率为2×25W..具有如下特点：效率高可达90%;工作电压范围宽电源供电±12.5V~±30V;静态电流小最大静流不超过75mA;失真低;可用于双声道立体声系统的放大SE接法;Single-Ended或单声道系统的放大BTL接法;Bridge-Tied Load;双声道SE接法的固定增益为30dB;单声道BTL接法的固定增益为36dB;输出功率高典型应用时2×25W;滤波效果好;内部的开关振荡频率由外接元件确定典型应用为350kHz;并具有开关通断的“咔嗒/噼噗”噪声抑制;负载短路的过流保护;静电放电保护;芯片过热保护等功能..广泛应用于平板电视、汽车音响、多媒体音响系统和家用高保真音响设备等..1．内部结构与引脚功能TDA8922的内部结构如图3.24所示;包含两个独立的信号通道和这两个通道共用的振荡器与过热、过流保护及公共偏置电路..每个信号通道主要包括脉宽调制和功率开关放大两个部分..图3.24 TDA8922内部结构1脉宽调制..输入的模拟音频信号经电压放大后;与固定频率的三角波相比较;全部音频信息被调制在PWM 信号的宽度变化中..三角波的产生由压控振荡器实现;三角波的频率由7脚外接的RC定时元件确定..比较器是一个带锁相环的脉宽调制电路;调制后的电路与功率输出级的门控电路相连;地线被连接到公共地端..当音频信号幅度大于三角波信号幅度时;比较器输出高电平;反之;比较器输出低电平..PWM 信号是一个数字脉冲信号;其脉宽的变化反映音频信号的全部信息..脉冲信号的高、低电平控制两组功率管的通/断;高/低两值之间的转换速度决定两组功率管之间的通/断的转换时间..电路中采用触发器来调整比较器输出的波形;通过快速转换使输出波形得到明显的改善..2功率开关放大..功率开关放大部分由门控电路、高电平与低电平驱动电路、MOSFET功率管所组成..门控电路用于输出级的功率开关管在开关工作时的死区校正;防止两个MOSFET管在交替导通的瞬间的穿透电流所引起的无用功耗;因为在高频开关工作时;需要分别将两个MOSFET管的截止时间提前而将导通时间滞后;防止两个管子在交替导通的瞬间同时导通而产生贯通电流;这一贯通电流是从正电源到负电源直通而不流向负载的..PWM 信号控制着MOSFET功率管的通/断;驱动扬声器发声..开关功率管集成在数字功率IC内;有利于缩小整个功放的体积;降低成本;提高产品竞争力..在输出端与高电平驱动器之间接有自举电容;用于提高在上管导通期间的高电平驱动器送到上管栅极的驱动电平;保证上管能够充分导通..3工作模式选择与过热过流保护电路..TDA8922芯片中除了每个声道中的脉宽调制与功率开关放大电路外;还有工作模式选择与过热保护与过流保护..6脚为工作模式选择端;当6脚外接5V电源时为正常工作模式;此时D 类功放各电路正常工作；当6脚接地0V时为待机状态;此时芯片内的主电源被切断;主要电路都不工作;整机静态电流极小；当6脚电平为电源电压的一半约2.5V时为静音状态;此时各电路都处于工作状态;但输入级音频电压放大器的输出被静音;无信号输送到扬声器而无声..过热保护与过流保护是通过芯片温度检测和输出电流检测来实现的..当温度传感器检测到芯片温度>150 oC时;则过热保护电路动作;将MOSFET 功放级立即关闭；当温度下降至约130 oC时;功放级将重新开始切换至工作状态..如果功放输出端的任一线路短路;则功放输出的过大电流会被过流检测电路所检出;当输出电流超过最大输出电流4A时;保护系统会在1μs 内关闭功率级;输出的短路电流被开关切断;这种状态的功耗极低..其后;每隔100毫秒系统会试图重新启动一次;如果负载仍然短路;该系统会再次立即关闭输出电流的通路..除过热过流保护外;芯片内还有电源电压检测电路;如果电源电压低于±12.5伏;则欠压保护电路被激活而使系统关闭；如果电源电压超过±32伏;则过压保护电路会启动而关闭功率级..当电源电压恢复正常范围±12.5V~±32V时;系统会重新启动..4输出滤波器..输出滤波器的用途是滤除PWM 信号中的高频开关信号和电磁干扰信号; 降低总谐波失真..LPF参数的选择与系统的频率响应和滤波器的类型有关..音频信号的频率在20Hz～20 kHz;而开关脉冲信号和电磁干扰信号的频率都远大于音频信号频率;因此LPF所用的LC元件参数;可选择在音频通带内具有平坦特性的低通滤波器..TDA8922包含两个独立的功率放大通道;这两个独立的通道可接成立体声模式;也可接成单声道模式..立体声模式采用SESingle-Ended接法;如图3.24所示;L、R输入的模拟音频信号分别送入各自声道的输入端;L、R扬声器分别接在各自声道输出端的LPF上;从而构成立体声放音系统；单声道模式采用平衡桥式BTL接法;如图3.25所示;此时两个通道的输入信号的相位相反;扬声器直接跨接在两个通道的输出端;此时扬声器获得的功率可增加一倍6dB..图3.25 TDA8922用于单声道的BTL接法TDA8922TH各引脚的功能如表3.2所示..表3.2TDA8922各引脚功能2．典型应用电路TDA8922的典型应用电路如图3.26所示..图3.26 TDA8922的典型应用电路当将TDA8922用于双声道立体声的D类数字功放时;左、右声道的模拟音频信号分别加至输入端的in1和in2..左、右声道的扬声器采用SE接法;分别接在各自声道功放输出端的LPF后与地之间;扬声器的阻抗选用4Ω;此时输入端的4个开关的状态为：J1和J2处于接通状态;J3和J4处于断开状态..两个声道各自独立..当将TDA8922用于单声道的D类数字功放时;电路采用平衡桥式接法BTL..单声道模拟音频信号加在in1或者in2端子上;此时输入端的4个开关设置状态为：J1和J2处于断开状态;J3和J4处于接通状态;两个声道输入端所加的模拟音频信号的相位正好相反..功放输出端的扬声器选用8Ω;直接跨接在双声道功放输出端LPF的两端;构成BTL的接法..正常工作时;6脚的模式选择开关置于“on”位置;即6脚接在5.6V的稳压源上..。
d类放大器原理
d类放大器原理D类放大器（Class-D amplifier）是一种功率放大器，其原理基于数模混合调制技术。
相比于传统的A类、B类或AB类放大器，D类放大器更高效。
它利用数字开关技术，将输入信号转换成数字脉冲，通过开关管的开关动作来调制输出信号的脉宽，从而实现信号的放大。
D类放大器的工作原理主要包括输入信号处理、数字脉冲生成和输出滤波三个部分。
首先，输入信号通过前端处理电路，如滤波器和放大器，将其调整为合适的幅度和频率范围。
这一步骤的目标是为了保证输入信号的完整性和减少噪声干扰。
接下来，输入信号经过采样和量化处理，将其转换成数字信号。
采样是将连续信号按照一定频率进行抽样，量化是将抽样信号离散成若干个离散值。
这样，信号就被转换成了数字形式，进一步便于数字处理和控制。
生成的数字信号通过比较器进行运算，并与一个高频三角信号进行比较。
比较器的输出决定了开关管的开关动作。
当数字信号大于三角信号时，开关管打开；当数字信号小于三角信号时，开关管关闭。
通过周期性地进行开关动作，可以得到一个频率较高的方波信号。
方波信号通过输出滤波器进行滤波，将其转换成模拟信号。
滤波器主要起到两个作用：将方波信号变为平滑连续的模拟信号，去除方波信号中的高频成分。
输出滤波器一般采用低通滤波器，能够有效地滤除高频噪声和杂散信号。
经过滤波处理后，得到了放大后的模拟信号，可以通过功率放大电路放大输出信号的幅度。
由于数字脉冲的占空比控制了输出信号的幅度，因此可以通过调整占空比来控制放大倍数。
这样，D类放大器可以实现对输入信号的高效放大。
总结起来，D类放大器的工作原理是先将输入信号转换成数字信号，然后通过数字脉冲生成技术将其调制成方波信号，并通过输出滤波器将其变为模拟信号，最后通过功率放大电路放大输出信号的幅度。
这种数字开关技术的应用大大提高了放大器的效率和性能。