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文献综述王协平

基于D类功放家用音响的设计文献综述

专业：

电子信息工程班级：

11电信（师范）1班作者：

王协平指导老师：

曾旺辉

摘要：

本文介绍了大功率D类音频放大电路的设计，比较了他们各自的优缺点，重点分析了音频放大器的原理.D类音频放大器采用脉宽调制（PMW）信号而不是AB放大器通常采用的线性信号，D类放大器比AB类放大器效率高的多，利用上述技术原理，输出级的损率变得极低.本文中的D类音频功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号的控制，使其工作在开关状态，理论上效率可达100%，但其不足之处在于会产生高频干扰及噪声.本文具体论述了一种基于晶体管的D类音频功率放大器的设计组成.

关键词：

PWM调制；功率放大；电压开关型驱动电路

1．引言

随着音响系统的数字化以及便携式产品的市场化,D类功放作为模拟功放的替代产品,越来越被市场所接纳。

但目前分析D类功放输出功率及效率还没有统一方法,文中利用数字功放的等效电路,分析了负载端输出电流的波形以及负载电流的平均值;建立了分析输出功率以及输出效率的较精确的数学模型,通过实验证明与实际相符。

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类放大器的高效率除了节省电源器件的成本以外亦节省电源的浪费或电池的消耗,优化了整个材料系统及使用环境，所以它必然会在以后的社会生活中发挥更大的作用。

D类功放以其显著的特点和优良的性能，已广泛应用于车用数字影音娱乐、PDA、MP4、移动电话、高清电视、平板电视等领域。

随着应用环境对产品体积、效率、音质、省电等方面的要求，D类功放将逐渐成为音频设计人员的首选。

1.1功率放大器的分类以及发展概况

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。

然而，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，使得D类（丁类）音频功率放大器得以出现和发展。

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。

它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。

D类功率放大器又叫开关型功率放大器，现在又有人称之为数字功率放大器。

它利用晶体管的高速开关特性和低的饱和压降的特点，效率很高，理论上可以达到100%，实际上可以达到90%。

此电路不需要严格的对称，也不需要复杂的直流偏置和负反馈，使稳定性大大提高。

用同样的功耗的管子可得到比AB类放大器高4倍功率的输出。

D类功放的功率器件受一高频脉宽调制（PWM）脉冲信号的控制,使其工作在开关状态,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。

能极大地降低能源损耗，减小放大器体积，在体积、效率和功耗上要求较高的场合具有很大的优势。

另外，现代保真音响系统常采用数字音频设备如CD、DAT（digitalaudiotape），近年发展起来的DVD、计算机多媒体设备、MP3等也都是数字音频信号源。

数字音频信号采用脉冲编码调制技术（PCM），信号分辨率通常为12位或16位，采样频率为44.1KHZ（CD）或48KHZ（DAT）。

由于数字信号在存储、传输和数据出来上的优点，使人们开始追求数字式功放代替传统的模拟功放，这也使得D类功率放大器受到更大的关注。

D类放大器虽然具有很高的效率,但由于功率晶体管的开关工作方式,D类放大器引入的失真通常大于线性放大器,这是目前D类放大器在音频放大领域并未得到广泛应用的主要原因。

随着半导体及微电子制造技术的不断发展,高速、大功率器件已越来越多,人们对音频功率放大器的要求更加趋向高效、节能和小型化,所以D类（丁类）音频功率放大器越来越受到人们的重视。

1.2国内外研究现状以及发展趋势

音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。

音频放大器已经有快一个世纪的历史了,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。

尤其进入21世纪以后,随着各种便携式的电子设备的发展。

从作为通讯工具的手机,到作为娱乐设备的MP3播放机,已经快成为人人具备的便携式电子设备。

我们所研究的功率放大器就是将输入小信号转化为输出大信号的装置。

其中功率放大器又有谐振功率放大器与非谐振功率放大器之分。

总的来说，放大器有A（甲）类，B（乙）类，AB（甲乙）类，D类放大器等。

何为高效的功率放大器。

就此设计来说，电压放大20倍左右，电流输入为MA级，输出为A级。

效率为80%已经是很高要求的高效率功率放大器了。

所有这些便携式的电子设备的一个共同点就是都有音频输出,也就是都需要有一个音频放大器;另一个特点就是它们都是电池供电的。

都希望能够有较长的使用寿命。

就是在这种需求的背景下,D类放大器应运而生了。

它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。

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。

通过研究,我们认为国际国内专业部门应尽快制订类数字音频功率放大器检测方法标准,同时应尽快将类数字音频功率放大器检测方法标准,同时应尽快将类数字音频功率放大器内容编人高教教材,改变数字、科研落后于应用的现状。

D类功放的功率器件受一高频脉宽调制（PWM）脉冲信号的控制,使其工作在开关状态,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。

能极大地降低能源损耗，减小放大器体积，在体积、效率和功耗上要求较高的场合具有很大的优势。

另外，现代保真音响系统常采用数字音频设备如CD、DAT（digitalaudiotape），近年发展起来的DVD、计算机多媒体设备、MP3等也都是数字音频信号源。

数字音频信号采用脉冲编码调制技术（PCM），信号分辨率通常为12位或16位，采样频率为44.1KHZ（CD）或48KHZ（DAT）。

由于数字信号在存储、传输和数据出来上的优点，使人们开始追求数字式功放代替传统的模拟功放，这也使得D类功率放大器受到更大的关注。

D类放大器虽然具有很高的效率,但由于功率晶体管的开关工作方式,D类放大器引入的失真通常大于线性放大器,这是目前D类放大器在音频放大领域并未得到广泛应用的主要原因。

随着半导体及微电子制造技术的不断发展,高速、大功率器件已越来越多,人们对音频功率放大器的要求更加趋向高效、节能和小型化,所以D类（丁类）音频功率放大器越来越受到人们的重视。

D类放大器是目前音频播放器的非常有前途的发展方向，他更好地适应了便携式电子音频设备对功率放大器的高效率，低失真的的发展要求。

1.3D类功放的工作原理

由于集成电路技术的发展，原来用分立元件制作的很复杂的调制电路，现在无论在技术上还是在价格上均已不成问题。

而且近年来数字音响技术的发展，人们发现D类功放与数字音响有很多相通之处，进一步显示出D类功放的发展优势。

D类功放是放大元件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。

这种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。

在理想情况下，D类功放的效率为100%，B类功放的效率为78.5%，A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。

D类功放实际上只具有开关功能，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。

然而，开关功能（也就是产生数字信号的功能）随着数字音频技术研究的不断深入，用与Hi-Fi音频放大的道路却日益畅通。

20世纪60年代，设计人员开始研究D类功放用于音频的放大技术，70年代Bose公司就开始生产D类汽车功放。

一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效率，另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功放，两者都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。

其中关键的一步就是对音频信号的调制。

　　图1.3_1是D类功放的基本结构，可分为三个部分：

图1.3_1　D类功放基本结构

第一部分为调制器，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、直流偏置三角波峰值的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；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（PulseWidthModulation脉宽调制）或PDM（PulseDurationModulation脉冲持续时间调制）波形。

音频信息被调制到脉冲波形中。

第二部分就是D类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，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有负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。

第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。

方法很简单，只需要用一个低通滤波器。

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，见图1.3_2。

图1.3_2　模拟D类功放工作原理

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，饱和管压降小不但效率高，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，在一定程度上限制了D类功放的发展。

现在小电流控制大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域，特别是近年来UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上应用，器件的障碍已经消除。

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。

频率过低达到同样要求的THD标准，对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂。

频率高，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，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制成滤波器，造价相应降低。

但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件中的高频损耗、谢频的取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。

同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。

所以要实现高保真，出现了很多与数字音响保真相同的考虑。

还有一个与音质有很大关系的因数就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器。

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。

2．D类功放技术研究综述

2.1系统结构及两种拓扑结构

2.1.1开环和闭环结构

D类音频功放有开环和闭环两种结构，其中开环结构的特点：

高效、面积小、没有增益控制、电源抑制比（PSRR）为0、谐波总失真（THD）严重、信噪比差等，实际应用中几乎不采用这种结构。

闭环结构是将检测输出波形反馈到放大器的输入端，并通过控制环路对输出进行校正。

闭环方案不仅可以改善系统的线性而且使系统具备一定的PSRR（一般可达80dB）。

要保证系统的稳定性，必须精心设计控制环路并进行补偿，确保在任何工作条件下都能保证稳定。

2.1.2全桥和半桥结构

如图2.1.2_1、2.1.2_2所示，D类功放可以归类成两种拓扑，分别是半桥和全桥结构每种拓扑都有各有利弊。

简而言之半桥简单，而全桥在音频性能上更好一些，全桥拓扑需要两个半桥功放，这样就需要更多的元器件。

全桥拓扑的固有差分输出结构可以消除谐波失真和直流偏置，就像在AB功放中一样。

另外，全桥拓扑允许使用更好的PWM调制方案。

比如量化几乎没有错误的三水平PWM方案。

在半桥拓扑中，电源面临从功放返回来的能量而导致严重的母线电压波动的问题，特别是当功放输出低频信号到负载时，波动更为严重。

能量回流到电源是D类功放的一个基本特性。

而在全桥中的一个臂倾向于消耗另一个臂的能量，所以就没有可以回流的能量。

图2.1.2_1D类功放半桥结构

图2.1.2_2D类功放全桥结构

2.2D类音频功放的设计要素及解决方案

2.2.1输出晶体管设计

选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗。

晶体管尺寸的选择是传导期间将IDS×VDS损失降至最小与将开关损耗降至最小之间的一个折衷。

在高输出功率情况下，功耗和效率主要由传导损耗决定,而在低输出功率情况下，功耗主要由开关损耗决定。

影响高性能功放的关键因素是功率桥电路中的开关。

在开关过程中产生的功率损耗、死去时间和电压、电流瞬时毛刺等都应该尽可能的最小化来改善功放的性能。

2.2.2输出级保护

过热保护：

为了防止过热危险，需要温度监视控制电路。

输出晶体管过流保护：

简单保护方案中，如果输出电流超过安全阈值，则输出级关断。

较复杂的保护方案中，电流传感器输出反馈到放大器中，将限制输出电流到一个最大安全水平，同时允许放大器连续工作而无须关断。

在这个方案中，如果限流保护无效，最后是强制关断。

有效的限流器还可在由于扬声器共振出现暂时的大瞬态电流时保持放大器安全工作。

欠压锁定保护：

只有当正电源电压足够高时才能正常工作。

如果电源电压太低，出现欠压情况，就会出现问题，通常通过欠压封锁电路来处理，只有当电源电压大于欠压封锁阈值时才允许输出级工作。

输出晶体管导通时序：

MH和ML输出级晶体管具有非常低的导通电阻，在一个晶体管导通之前，晶体管的先开后合，可以强制两个晶体管都断开，以防止冲击电流情况发生。

两个晶体管都断开的时间间隔称为非重叠时间或死区时间。

2.2.3不完美失真和噪声

理想D类功放无失真，在可听波段没有噪音且效率为100%。

实际的D类功放并不完美并且会有失真和噪音。

原因是：

从调制器到开关级，由于分辨率限制和时间抖动而导致的PWM信号中的非线性；加在栅极驱动上的时间误差，如死区时间、开通关断时间、上升下降时间；开关器件上的不必要特征，比如限定电阻，限定开关速度或二极管特征；杂散参数导致过度边缘的震荡；由于限定的输出电阻和通过直流母线的能量的反作用而引起得电源电压波动；输出LPF中的非线性。

一般来说，在栅极信号中的开关时间误差是导致非线性的主要原因。

特别是死区时间严重影响了D类功放的线性。

2.2.4EMI问题

EMI的主要来源是从高到低流动的MOSFET二极管的反向恢复电荷，和电流直通很相像。

在嵌入到阻止直通电流的死区过程中，在输出LPF中的电感电流打开体二极管。

在下一个阶段中，当另外一端的MOSFET在死区未打开时，晶体管保持导通状态，除非储存的大量少数载波被完全复合。

这个反向的恢复电流趋向于形成一个很尖的形状。

因此，PCB布线设计对减小EMI和系统可靠性至关重要的。

有些D类功放输出级的采用耳机自带的LC滤波器，省去了外部的LC滤波器，降低了系统成本。

免滤波器工作方式的一个缺点就是可能通过扬声器电缆辐射EMI。

由于D类放大器的输出波形为高频方波，并具有陡峭的过渡边沿，因此输出频谱会在开关频率及开关频率倍频处包含大量频谱能量。

在紧靠器件的位置没有安装外部输出滤波器的话，这些高频能量就会通过扬声器电缆辐射。

采用扩频技术可以降低EMI。

扩频调制有效展宽了输出信号的频谱能量，而不是使频谱能量集中在开关频率及其各次谐波上。

换句话说，输出频谱的总能量没有变，只是重新分布在更宽的频带内。

这样就降低了输出端的高频能量峰，因而将扬声器电缆辐射EMI的机会降至最少。

虽然一些频谱噪声可能由扩谱调制引入音频带宽内，这些噪声可以被反馈环路的噪声整形功能抑制掉。

2.2.5滤波器设计

滤波器设计的好坏直接影响放大器的带宽和THD特性。

用适当的截止频率和滤波器滚降系数来获得最小失真的音频信号。

如截止频率为30kHz的滤波器通过20kHz的音频，误差小于1dB；对于16kHz的信号误差小于0.4dB。

应该根据具体情况选择输出滤波器的类型，对于大多数应用来说，最好选择具有平坦的通带和较好的相位响应的巴特沃斯滤波器。

输出滤波器的设计应该依据系统的频率响应和开关频率，频率越低，输出滤波器的截止频率就越低。

例如，截止频率为30kHz的2阶平衡式无源RLC滤波器，足以满足250kHz的开关频率。

输出滤波器的截止频率越低，放大器的带宽就越窄。

例如，5kHz的截止频率足以满足电信设备的音频放大，但对于收音机或者CD播放器就不适合。

D类放大器中PWM输出方波的频率远大于人耳和喇叭的响应，所以人耳的有限频带宽度和喇叭的频率响应可以用于确定输出滤波器的开关频率。

即使采用高频方波驱动喇叭可以产生不错的音频效果，D类放大器也需要输出滤波器，因为外部LC输出滤波器可以吸收开关频率的能量。

没有输出滤波器，这些能量和音频信号能量将全部加到喇叭上，没有音频信号时，D类放大器仍然工作在开关状态，并提供电流给负载，所以D类放大器的高频特性会损坏喇叭。

另外，输出滤波器也可以降低电磁干扰。

3.总结和展望

随着PWM调制器技术和扩频技术的应用，D类放大器将在音频功放应用领域盛行起来。

现代D类放大器除具有AB类放大器的所有优点（即良好的线性和最小的电路板空间）外，更具有高效、低功耗等优点。

有多种D类放大器可供选用，以满足各类应用需求。

这些应用包括低功耗便携式应用（如蜂窝电话和笔记本电脑），电池寿命、电路板空间和EMI兼容性要求在这类应用中至关重要；还包括大功率应用（如车载音响系统或平板显示器，最大限度降低散热需求和发热量在这类应用中必不可少。

D类放大器固然性能出色，也面临着不少的设计挑战。

在进行50W～500W的大功率的D类音频放大器的应用设计中，面临以下问题：

对于许多音频设备设计者而言为一新领域，特别是在EMI和滤波设计方面；过电流保护设计比较复杂。

随着D类音频放大器的技术的发展，它将用于中、高档音频系统完全替代AB类音频放大器。

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