D类功放的原理.docx
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D类功放的原理
D类功放的原理
在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地。
以为A类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。
可是，A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天恶疾。
B类功放尽管效率提高很多，但实际效率仅为50%左右，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中意。
因此，效率极高的，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视。
由于集成电路技术的进展，原先用分立元件制作的很复杂的调制电路，此刻不管在技术上仍是在价钱上均已不成问题。
而且最近几年来数字音响技术的进展，人们发觉与数字音响有很多相通的地方，进一步显示出的进展优势。
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，事实上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部份电能。
这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，因此专门有利于超大功率的场合。
在理想情形下，的效率为100%，B类功放的效率为%，A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。
事实上只具有开关功能，初期仅用于继电器和电机等执行元件的开关操纵电路中。
但是，开关功能（也确实是产生数字信号的功能）随着数字音频技术研究的不断深切，用与Hi-Fi音频放大的道路却日趋畅通。
20世纪60年代，设计人员开始研究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，二者都希望有D类如此高效的放大器来放大音频信号。
其中关键的一步确实是对音频信号的调制。
图1是的大体结构，可分为三个部份：
图１ 大体结构
第一部份为调制器，最简单的只需用一只运放组成比较器即可完成。
把原始音频信号加上必然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，反之那么输出低电平。
假设音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的1/2，那么比较器输出的高低电平持续的时刻一样，输出确实是一个占空比为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刻比低电平长，方波的占空比大于1：
1；负半周期间，由于还有直流偏置，因此比较器正输入端的电平仍是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时刻却大为减少，方波占空比小于1：
1。
如此，比较器输出的波形确实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脉冲持续时刻调制）波形。
音频信息被调制到脉冲波形中。
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第二部份确实是，这是一个脉冲操纵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、电源电压和晶体管许诺流过的电流来决定。
第三部份需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。
方式很简单，只需要用一个低通滤波器。
但由于现在电流专门大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采纳，必需利用LC低通滤波器。
当占空比大于1：
1的脉冲到来时，C的充电时刻大于放电时刻，输出电平上升；窄脉冲到来时，放电时刻长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度转变相一致，因此原音频信号被恢复出来，见图2。
图２ 模拟工作
设计考虑的角度与AB类功放完全不同。
现在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。
由于功放管处置的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求维持良好的脉冲前后沿，因此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发的管耗。
因此，饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能取得简化。
假设干年前，这种高频大功率管的价钱昂贵，在必然程度上限制了的进展。
此刻小电流操纵大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域，专门是最近几年来UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上应用，器件的障碍已经排除。
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。
频率太低达到一样要求的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，加倍接近原波形，THD小，而且能够用低数值、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。
但现在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显现射频干扰，因此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阻碍到以后恢复的信号与原信号不同而产生失真。
因此要实现高保真，显现了很多与数字音响保真相同的考虑。
还有一个与音质有专门大关系的因数确实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，负载确实是音箱。
严格地讲，设计时应把音箱阻抗的转变一路考虑进去，但作为一个功放产品指定音箱是行不通的，因此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%以下时，用二阶Butterworth最平坦响应低通滤波器就能够达到要求。
如要求更高那么需用四阶滤波器，这时本钱和匹配等问题都必需加以考虑。
最近几年来，一样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。
数字功放与D类功放的区别
数字功放与D类功放的区别
常见D类功放（PWM功放）的工作原理：
PWM功放只能同意模拟音频信号，用内部三角波发生器产生的三角波和它进行比较，其结果确实是一个脉宽调制信号（PWM），然后将PWM信号放大并还原成模拟音频信号。
因此，PWM功放是用脉冲宽度对模拟音频幅度进行模拟的，其信息的传递进程是模拟的、非量化的、非代码性的。
而且由于目前器件性能的限制，PWM功放不可能采纳太高的采样频率，在性能指标上尚达不到Hi-Fi级的水平。
而数字功放采纳一些宽度固定的脉冲来数字地量化、编码模拟音频信号，使音频信号的还原更为真实。
二、数字功放和模拟功放的区别
数字功放由于工作方式与传统模拟功放完全不同，因此克服了模拟功放固有的一些缺点，而且具有了一些特有的特点。
1.过载能力与功率储蓄
数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。
模拟功放电路分为A类、B类或AB类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管工作在饱和区，显现谐波失真，失真程度呈指数级增加，音质迅速变坏。
而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功放管不损坏，失真度可不能迅速增加
，如图1所示。
图1全数字功放与一般功放过载失真度比较
由于数字功放采纳开关放大电路，效率极高，可达75%~90%（模拟功放效率仅为30%~50%），在工作时大体不发烧。
因此它没有模拟功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储蓄，加上前后无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“动力”特性，瞬态响应好，“爆棚感”极强。
2.交越失真和失配失真
模拟B类功放在过零失真，这是由于晶体管在小电流时的非线性特性而引发的在输出波形正负交叉处的失真（小信号时晶体管会工作在截止区，无电流通过，致使输出严峻失真）。
而数字功放只工作在开关状态，可不能产生交越失真。
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模拟功放存在推挽对管特性不一致而造成输出波形上下不对称的失配失真，因此在设计推挽放大电路时，对功放管的要求超级严格。
而数字功放对开关管的配对无特殊要求，大体上不需要严格的挑选即可利用。
3.功放和扬声器的匹配
由于模拟功放中的功放管内阻较大，因此在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载（扬声器）大小的阻碍。
而数字功放内阻不超过Ω（开关管的内阻加滤波器内阻），相关于负载（扬声器）的阻值（4~8Ω）完全能够忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。
4.瞬态互调失真
模拟功放几乎全数采纳负反馈电路，以保证其电声指标，在负反馈电路中，为了抑制寄生振荡，采纳相位补偿电路，从而会产生瞬态互调失真。
数字功放在功率转换上没有采纳任何模拟放大反馈电路，从而幸免了瞬态互调失真。
5.声像定位
对模拟功放来讲，输出信号和输入信号之间一样都存在着相位差，而且在输出功率不同时，相位失真亦不同。
而数字功放采纳数字信号放大，使输出信号与输入信号相位完全一致，相移为零，因此声像定位准确。
6.升级换代
数字功放通过简单地改换开关放大模块即可取得大功率。
大功率开关放大模块本钱较低，在专业领域进展前景广漠。
7.生产调试
模拟功放存在着各级工作点的调试问题，无益于大量量生产。
而数字功放大部份为数字电路，一样不需调试即可正常工作，专门适合于大规模生产。
三、数字功放和“数字化”功放、“数码”功放的区别
所谓的“数字化”功放只是在前置级上采纳数字信号处置的方式，在模拟音频信号或数字音频信号输入后，采纳现有的数字音频处置集成电路，实现一些比如声场处置、数字延时、混响等功能，最后再通过模拟功率放大模块进行音频放大。
其典型电路框图如图2所示。
由图2可知，其各模块的接口都是采纳模拟方式。
而数字声场处置模块的大致原理框图如图3所示。
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图2数字化功放电路的组成框图图3数字声场处置模块原理框图
尽管目前各集成电路厂家都推出了数字声场处置、数字卡拉OK和数字杜比解码集成电路。
可是由于目前功放多数只能接收模拟音频信号，因此各集成电路的接口也大多是模拟的，这就需要反复地进行模/数、数/模转换，由此会引入量化噪声，使音质恶化。
全数字功放除针对扬声器的接口之外（这是因为目前扬声器都只能同意模拟音频信号），音频信号在功放内部都是以数字信号的方式进行处置（包括功率放大）；关于模拟音频信号，必需转化成数字信号后才能进行处置。
在已经具有数字音频的时期推出数字功放，将可能对音响技术的进展产生重大阻碍
D类功放电路介绍
2007-01-0600:
00:
00 新闻来源：
电子元器件网
传统的音频功率有A类、AB类、B类、C类等几种，其功率放大器件（管、晶体管、、等）均工作于线性放大区域，属线性放大器，其效率普遍不高，通常AB类放大器的效率不会超过60%。
采用D类开关放大电路可明显提高功放的效率。
D类功放将音频信号转变为宽度随信号幅度变化的高频脉冲，控制功率管以相应的频率饱和导通或截止，功率管输出的信号经低通滤波器驱动扬声器发声。
因功率管大部分时间处于饱和导通和截止状态，功率损耗很小，其效率可达90%以上。
典型的D类功放可提供200W输出，效率达94%，谐波失真在1%~%。
D类功放保真度不如线性放大器，但在很多场合已能满足要求，例如汽车音响系统只要求低功率输出时失真小于2%，满功率输出时小于5%，而且经过改进D类功放的性能还将有所提高。
另外，D类功放不存在交越失真。
D类开关放大器的概念源于50年前，但因其工作频率至少应为音频信号上限频率（20kHz）的4~5倍，早期采用电子管、晶体管的电路在功率、效率等方面还不能充分体现其优越性。
20世纪80年代出现了开关速度和导通损耗满足要求的，近年来又出现了集成前置驱动电路，如Harris公司的HIP4080，从而推动了D类功放的实用发展。
D类功放所用的MOSFET为N沟道型，因为N型沟道MOSFET的导通损耗仅为相应规格的P沟道MOSFET的1/3。
D类开关放大器由积分器、占空比调制器、开关驱动电路及输出滤波器组成，图1（a）所示的电路为采用半桥驱动的D类功放，它采用了固定频率的占空比调制器，功率管输出的方波信号与音频信号混合作为负反馈信号送入积分器。
积分器兼有滤波作用，输出修正信号送占空比
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