D类功率放大器.docx

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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785%。

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（）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I2R损耗。

转换损耗如图1-1所示：

图1-1转换损耗的产生

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（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，如信号的功率放大。

模拟D类放大器一般可分为前置放大级、调制、功率放大与低通滤波四个部分。

其中调制和功率放大是D类放大器的核心，调制的一般方案有：

（1）采用调制芯片产生信号，此类芯片可方便的产生信号，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型号为方波。

（2）自己搭建调制器，采用运放进行比较积分产生信号。

1．调制分析

（1）从能量的角度来看，在每个

时间内，正弦波与所对应的脉宽波所包含的能量等，这样调制后得到的脉宽调制波作用在一个惯性系统（）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

，载频频率为

的调制信号，其频谱主要分布在

（

）谱线上。

当

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。

2D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）调制与交越失真

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）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，说明信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，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；（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。

图1-2D类功放原理方框图

图1-3各点波形

二．具体电路

根据图1-2采用模拟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20到20，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5532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：

三角波的频率为：

图2－1三角波产生电路

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．调制电路：

利用高精度的比较器311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311的输出端是集电极开路结构，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

4．驱动电路：

从调制器出来的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，三极管的射极输出再来驱动场效应管。

电路图如图2-4所示。

图2－4驱动电路

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20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，通过软件模拟后，最后确定C1＝1，C2＝0.68，L1＝22，L2＝47。

电路图如图2-5所示。

图2－5H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07可以满足20k的带宽要求。

在这里取R1＝R2＝R3＝R4＝22k，使增益为1。

电路图如图2-6所示。

图2－6信号变换电路

三．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。