D类功率放大器原理与应用技术进展要点Word格式.docx
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杨军副教授
2013
年
5
月
摘要：
本文分析了D类放大器的基本电路结构，包括反馈对电路性能的改善，D类拓扑-半桥与全桥以及无滤波器调制器，研究了D类放大器的应用技术及其进展。
D类放大器采用先进的调制技术，可使各种应用免去外部滤波器并降低电磁干扰。
省掉外部滤波器不仅降低了电路板的空间要求，同时也大幅降低了很多便携式便携式应用的成本，因而有较好的市场应用前景。
关键词：
D类放大器，D类音频功率放大器，大功率，D类发展前景
Abstract：
ThebasicstructureofthecircuitofclassDamplifierisanalyzedinthispaper,Includingfeedbackoncircuitperformanceimprovement,ClassDhalf-bridgeandfull-bridgetopology-andnofiltermodulator,ApplicationandprogressoftheclassDamplifier.AdvancedmodulationtechnologyisusedbyclassDamplifier.canmakevariousapplicationsfromexternalfilterandreduceelectromagneticinterference.Skiptheexternalfilternotonlyreducesboardspacerequirements,butalsogreatlyreducesthecostofmanyportableportableapplications,soithasagoodmarketprospect.
Keywords：
ClassDamplifier,ClassDaudiopoweramplifier,high-power,Ddevelopmentprospects
1引言
D类功率放大器由于效率高，产生的热量少，节能、数字化、体积小、重量轻等优点被越来越多的先进设备应用着。
如D类音频功放虽然保真度不及传统功放，但具有效率高、体积小、输出功率大、低EMI、具备多种工作模式等优点，逐渐成为了便携式设备（如PDA）中不可替代的产品。
全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快开发高效、节能、数字化的音频功率放大器，它应该具有工作效率高，便于与其他数字化设备相连接的特点。
正是由于这些优点以及人们的迫切需求，各种基于D类功放的产品被“千呼万唤始出来”。
近几年来，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进展，几家著名的研究机构及公司已经试验性地向市场提供了D类音频功率放大器评估模块及技术。
这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子工业、商业界的特别关注，现在这一前沿的技术正迅猛发展，前景一片光明。
2功放的基本知识
2.1功放的分类
传统的功率放大器主要有A类（甲类）、B类（乙类）和AB（甲乙类），除此之外，
还有工作在开关状态下的D类（丁类）功放。
2.2功放的工作原理及特点概述
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，其晶体管总是工作在放大区，并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性放大区域，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，理想情况下其效率为50%，考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损耗，A类功率放大器的最高效率仅为45%左右。
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%，因为其晶体管只在输入信号的正半周工作在放大区，在输入信号的负半周是截止的。
它的优点是效率理想情况下可达78.5%，比A类的提高了很多，其缺点是非线性失真却比甲类功放大，而且会产生交越失真，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，使每个功率器件的导通时间在50%～100%。
此类放大器目前最为流行，它兼顾了效率和失真两方面的性能指标，在设计该功率放大器时要设置功率晶体管的静态偏置电路，使其工作在甲乙类状态。
这类功放失真小于乙类功放，但其效率比乙类功放要低一些。
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，理论上其效率可达100%。
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。
2.3D类功率放大器的特点
（1）效率高，产生的热量少
（2）节能、数字化、体积小、重量轻
（3）失真较大
D类功放的失真比较起其他几类功放来说，其失真较大，这也是D类功放一直以来都
未投入市场的主要原因之一。
但由于近年来对该类功放的保真度的大力研究，使得D类功放成为最近几年内的热门研究重点。
3D类功率放大器的原理图
3.1经典D类功放
经典D类攻放主要由脉冲宽度调制器、开关放大器和低通滤波器等三部分组成，结构如图所示
3.2D类攻放原理简图
D类放大器工作在开关状态下可以采用脉宽调制（PWM）模式。
利用PWM能将音频输入信号转换为高频开关信号[9]。
通过一个比较器将音频信号与高频三角波进行比较，当反相端电压高于同相端电压时，输出为低电平;
当反相端电压低于同相端电压时，输出为高电平[8]。
现代D类放大器使用多种调制器拓扑结构，而最基本的拓扑组合了脉宽调制（PWM）以及三角波（或锯齿波）振荡器。
图1给出一个基于PWM的半桥式D类放大器简化框图。
它包括一个脉宽调制器，两个输出MOSFET，和一个用于恢复被放大的音频信号的外部低通滤波
图1D类攻放原理简图
器（LF和CF）。
如图所示，p沟道和n沟道MOSFET用作电流导向开关，将其输出节点交替连接至VDD和地。
由于输出晶体管使输出端在VDD或地之间切换，所以D类放大器的最终输出是一个高频方波。
大多数D类放大器的开关频率（fSW）通常在250kHz至1.5MHz之间。
音频输入信号对输出方波进行脉宽调制。
音频输入信号与内部振荡器产生的三角波（或锯齿波）进行比较，可得到PWM信号。
这种调制方式通常被称作"
自然采样"
，其中三角波振荡器作为采样时钟。
方波的占空比与输入信号电平成正比。
没有输入信号时，输出波形的占空比为50%。
图2显示了不同输入信号电平下所产生的PWM输出波形。
图2输出信号脉宽与输入信号幅值成正比
为了从PWM波形中提取出放大后的音频信号，需将D类放大器的输出送入一个低通滤波器。
图1中的LC低通滤波器作为无源积分器（假设滤波器的截止频率比输出级的开关频率至少低一个数量级），它的输出等于方波的平均值。
此外，低通滤波器可防止在阻性负载上耗散高频开关能量。
假设滤波后的输出电压（VO_AVG）和电流（IAVG）在单个开关周期内保持恒定。
这种假设较为准确，因为fSW比音频输入信号的最高频率要高得多。
因此，占空比与滤波后的输出电压之间的关系，可通过对电感电压和电流进行简单的时间域分析得到。
流经电感的瞬时电流为：
（Eq1）
其中，VL（t）是图1中使用符号法则后的电感瞬时电压。
由于流入负载的平均电流（IAVG）在单个开关周期内可以看作是恒定的，所以开关周期（TSW）开始时的电感电流必定与开关周期结束时的电感电流相同，如图3所示。
借助数学术语，可用以下等式表示：
（Eq2）
图3基本的半桥式D类放大器中，滤波器电感电流和电压波形
等式2表明，电感电压在一个开关周期内的积分必定为0。
利用等式2并观察图3给出的VL（t）波形，可以看出，各区域面积（AON和AOFF）的绝对值只有彼此相等，等式2才能成立。
基于这一信息，我们可以利用开关波形占空比来表示滤波后的输出电压：
（Eq3）
（Eq4）
（Eq5）
将等式4和5代入等式3，得到以下等式：
（Eq6）
最后，得到VO的表达式：
（Eq7）
式中D是输出开关波形的占空比。
4D类功放的应用技术进展
4.1反馈对电路性能的改善
许多D类放大器采用PWM输出至器件输入的负反馈环路。
闭环方案不仅可以改善器件的线性，而且使器件具备电源抑制能力。
开环放大器却正相反，它的电源抑制能力微乎其微（如果有的话）。
在闭环拓扑中，因为会检测输出波形并将其反馈至放大器的输入端，所以能够在输出端检测到电源的偏离情况，并通过控制环路对输出进行校正。
闭环设计的优势是以可能出现的稳定性问题为代价的，这也是所有反馈系统共同面临的问题。
因此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持稳定[3]。
典型的D类放大器采用具有噪声整形功能的反馈环路，可极大地降低由脉宽调制器、输出级以及电源电压偏离的非线性所引入的带内噪声。
这种拓扑与用在Σ-Δ调制器中的噪声整形类似。
为阐明噪声整形功能，图4给出了一个1阶噪声整形器的简化框图。
反馈网络通常包含一个电阻分压网络，但为简便起见，图4的反馈比例为1。
由于理想积分器的增益与频率成反比，图中积分器的传递函
图4D类放大器的控制环路包含1阶噪声整形电路，可将大部分噪声推至带外
数也被简化为1/s。
同时假定PWM模块具有单位增益，并且在控制环路中具有零相位偏移。
使用基本的控制模块分析方法，可得到以下输出表达式
（Eq8）
由等式8可知，噪声项En（s）与一个高通滤波器函数（噪声传递函数）相乘，而输入项VIN（s）与一个低通滤波器函数（信号传递函数）相乘。
噪声传递函数的高通滤波器对D类放大器的噪声进行整形。
如果输出滤波器的截止频率选取得当，大部分噪声会被推至带外（图4）。
上述例子使用的是1阶噪声整形器，而多数现代D类放大器采用高阶噪声整形拓扑，以便进一步优化线性和电源抑制特性[4]。
4.2D类拓扑-半桥与全桥
很多D类放大器还会使用全桥输出级。
一个全桥使用两个半桥输出级，并以差分方式驱动负载。
这种负载连接方式通常称为桥接负载（BTL）。
如图5所示，
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