D类数字功率放大器之欧阳家百创编

3.3 D类数字功放欧阳家百（2021.03.07）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，D类功放的效率为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D类功放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PWM（Pulse Width Modulation脉宽调制）或PDM（Pulse 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。

D类功放设计考虑的角度与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D类功放的一个特殊环节，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D类功放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D类功放已有集成电路芯片，用户只需按要求设计低通滤波器即可。

（4）D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。

（5）D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EMI（Electro MagneticInterference，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。

3.3.2D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3.24TDA8922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。