数字功放与模拟功放的区别
嘉兆科技
一、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功放只能接受模拟音频信号，用内部三角波发生器产生的三角波和它进行比较，其结果就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，其信息的传递过程是模拟的、非量化的、非代码性的。并且由于目前器件性能的限制，PWM功放不可能采用太高的采样频率，在性能指标上尚达不到Hi-Fi级的水平。而数字功放采用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，并且具备了一些独有的特点。
1. 过载能力与功率储备
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，出现谐波失真，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，失真度不会迅速增加。
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起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，导致输出严重失真）。而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。
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，对功放管的要求非常严格。而数字功放对开关管的配对无特殊要求，基本上不需要严格的挑选即可使用。
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，所以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）大小的影响。而数字功放内阻不超过Ω(开关管的内阻加滤波器内阻)，相对于负载（扬声器）的阻值（4~8Ω）完全可以忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。
4. 瞬态互调失真
模拟功放几乎全部采用负反馈电路，以保证其电声指标，在负反馈电路中，为了抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而会产生瞬态互调失真。数字功放在功率转换上没有采用任何模拟放大反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。
5. 声像定位
对模拟功放来说，输出信号和输入信号之间一般都存在着相位差，而且在输出功率不同时，相位失真亦不同。而数字功放采用数字信号放大，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更换开关放大模块即可获得大功率。大功率开关放大模块成本较低，在专业领域发展前景广阔。
7. 生产调试
模拟功放存在着各级工作点的调试问题，不利于大批量生产。而数字功放大部分为数字电路，一般不需调试即可正常工作，特别适合于大规模生产。
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用数字信号处理的方式，在模拟音频信号或数字音频信号输入后，采用现有的数字音频处理集成电路，实现一些比如声场处理、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。虽然目前各集成电路厂家都推出了数字声场处理、数字卡拉OK和数字杜比解码集成电路。但是由于目前功放大都只能接收模拟音频信号，所以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。
全数字功放除了针对扬声器的接口以外（这是因为目前扬声器都只能接受模拟音频信号），音频信号在功放内部都是以数字信号的方式进行处理（包括功率放大）；对于模拟音频信号，必须转化成数字信号后才能进行处理。
在已经具备数字音频的时代推出数字功放，将可能对音响技术的发展产生重大影响。
数字功放原理 数字功放也称D类功放，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、乙类和甲乙类、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，理想效率高达78.5%。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、音质差，音频放大中一般都不用，这几种模拟放大电路的共同的特点是晶体管都有工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号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。 数字功放的功放管工作在开关状态，理论状态晶体管导通时内阻为零，两端没有电压，当然没有功率消耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也不消耗。所以作为控制元件的晶体管本身不消耗功率，电源的利用率就特别高。 图1是数字D类功放的工作原理框图。D类功放处理的是经脉宽调制（PWM）的音频数字信号，声音信息埋藏在脉冲的占空比或脉冲密度中。 图示是音频信号的一种PWM调制方法，最为直观；较多采用的是以脉冲密度来表示信号大小的，脉冲密度大的地方，表示电压高；稀的地方，电压就低。双向信号可用其它方式调制，如占空比50%，即脉冲
宽度与间隔宽度1：1，表示信号幅值为零；占空比大于50% ，幅度为正，这时数值越大，正幅度越高；占空比小于50%，幅度为负，越小越负。因为这种信号并不需要与外接设备直接相连，也就不需要格式完全统一，各厂可按自行研发的最佳方案调制。 音频PWM编码可以从两种途径获得，一是对模拟音频信号进行模数变换直接生成PWM数字音频。二是对其它编码的数字音频，如CD的PCM编码，通过数字信号处理技术变换成PWM码。获得后用此信号去控制大电流的开关型功率MOSFET由功率管输出一个大能量的PWM码。输出电压的大小由电源电压高低决定，输出的电流由负载扬声器的阻抗和电路形式决定。功率管工作在开关状态，只要开关特性好，线性要求几乎没有，制造成本比音响对管低，工业控制上这类MOSFET已用得很普遍，取材方便。由于开关管导通时的饱和压降和截止时的漏电流也会损失一些电能，但总效率仍有百分之九十几，为各类放大电路效率之冠。 开关晶体输出的是脉宽调制波形，要成为可听的模拟音频信号，还需经过一路带宽为20KHz的低通滤波器，滤去脉冲波形中的高频成分，见图3，一般说来功放的输出电压对选取电容的耐压不成问题，只是电感最大允许电流要设计正确。
数字功放电路设计 在很多个人计算机或小家电音响数字功放设计中，电源部分由市电经整流、滤波和稳压电路等处理后供给，电路复杂，而且体积大而重。本方案音响功放采用了SWITCH-MODE POWER SUPPLY，使得供电变的简单灵活更实用，且低成本，低功耗，体积小，效率高，设计灵活使用方便的数字功率放大技术。 图1 1、方案设计 图1是功放电路原理图，功能模块上主要有：供电部分，信号输入部分、信号处理功率放大部分、输出部分最后由扬声器或喇叭输出的解决方案。为实
现上述目的，本方案提出用9v或1 2 V直流稳压电源即通用的S W I T C H-MODE POWER SUPPLY供电。输入端是直接从数码信号源如PC音频输出端、CD唱机、DVD影碟机、DVD Audio以及LCD或DTV数码电视等输入的数码音频信号，而不是经过ADC模数转换或DAC数模转换处理的音乐模拟信号。所述功率放大电路主要由，供电电路、信号输入、功放IC处理以及信号输出组成。 输出部分由扬声器或喇叭组成。本方案所要达到的效果是：通过电路分析信号输入与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰，由于采用无负反馈的放大电路、低通滤波器等处理，可以将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在20Hz-20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性，使得整个频段内无相对相移，声场定位准确。另外，由于它不需传统音响功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“动力”特征，即"动态特性"好。除此之外，如附图2所示：LC滤波器的差分实现，它们为滤波器提供相反极性的脉冲，其中滤波器包含两个电感器、两个电容器和扬声器。 2、具体实施方式及应用 如附图1所示：本方案的音响功放的信号流向如下所述：右声道信号（SP_IN_R）由R5，C2的RC串联电路送入功放IC的RINP脚，经IC处理一路由BSRP脚输出给由C13，L2，C17组成的LC低通滤波电路，最后输出给终端SP_OUT_R+；另一路由BSRN脚输出给由C16，L3，C18组成的LC低通滤波电路，最后输出给终端SP_OUT_R-;右声道地信号由RINN脚进入。左声道信号（SP_IN_L）由R6，C4的RC串联电路送入功放IC的LINP脚，经IC处理一路由BSLP脚输出给由C6，L6，C10组成的LC低通滤波电路，最后输出给终端SP_OUT_-；另一路由BSLN脚输出给由C9，L7，C11组成的LC低通滤波电路，最后输出给终端SP_OUT_L+;右声道地信号由RINN脚进入。图2是功放的低通滤波器电路图。
射频功放设计规范和指南
II
目录 前言 ...........................................................................................................................错误！未定义书签。第一章射频功放设计步骤 (5) 1.1定设计方案 (5) 1.1.1 GSM及PHS基站系统 (5) 1.1.2 CDMA及WCDMA基站系统 (7) 1.2选择确定具体线路形式及关键器件 (9) 1.2.1射频放大链路形式与关键器件选择及确定 (9) 1.2.2控制电路的确定 (12) 1.3进行专题实验或一板实验 (13) 1.4结构设计及PCB详细设计 (13) 1.5进行可生产性、可测试性的设计与分析 (13) 第二章功放设计中的检测及保护电路 (14) 2.1引起功放失效的原因 (14) 2.2功放保护电路设计类型 (15) 2.3功率放大器的保护模型 (16) 2.4功放的状态监测 (17) 2.5状态的比较判断 (18) 2.6保护执行装置 (19) 2.7保护电路举例分析 (19) -1-
第三章功放中增益补偿电路的实现 (21) 3.1模拟环路增益控制 (21) 3.2数字环路增益控制 (21) 3.3温度系数衰减器 (22) 第四章功放供电电路设计 (23) 4.1功放电路的供电形式 (23) 4.1.1 LDMOS器件供电电路 (23) 4.1.2 GaAs器件供电路。 (25) 4.2电源偏置 (26) 4.3布局 (26) 4.4电容的选用 (26) 第五章输入输出匹配及功率合成技术 (28) 5.1用集总参数元件进行阻抗匹配电路的原理及设计实例 ............................ 错误！未定义书签。 5.1.1输入阻抗中含感性特性的匹配设计.................................................. 错误！未定义书签。 5.1.2输出阻抗中含容性特性的匹配设计.................................................. 错误！未定义书签。 5.2用分布参数来进行阻抗匹配........................................................................ 错误！未定义书签。 5.3功率合成技术................................................................................................ 错误！未定义书签。 5.3.1功率分配和合成单元。...................................................................... 错误！未定义书签。第六章功放设计中的前馈技术 .. (40) 6.1前馈技术 (40) 6.2实现方案 (43) 6.2.1方案介绍 (43) 6.2.2主功放模块（MAM） (45) 6.2.3误差放大器模块 (46) -2-
模拟量 定义解释 模拟 模拟量 量就是指变量在一定范围连续变化的量也就就是在一定范围(定义域)内可以取任意值、数字量就是分立量不就是连续变化量只能取几个分立值二进制数字变量只能取两个值。 研究领域 一般模拟量 一般模拟量就是指现场的水井水位、水塔水位、泵出口压力与出口流量等模拟量,需要通过多路复用芯片完成多路数据的采集与模数转换器完成模拟量与数字量的转换,再将采集的数据给CPU处理。 模拟电子技术 模拟电子技术研究的就是连续信号称为模拟量、数字电子技术研究的就是断续信号称为数字量、根据这一点提出问题:大家非常熟悉也都会用的算盘它的数据就是连续的还就是断续的。 AD转换器 AD转换器(模数转换器)的作用就是从信号加工放大器输入的0~5V的直流电信号通常称为模拟量,可用无限长的数字来表示,如4、8213、…(V),计算机处理这些模拟量,只能处理有限长度的量,我们称之为数字量。 量测压 量测值电压值、有功功率、无功功率、温度与变压器抽头位置等均用量测值表示与状态量(也称逻辑量)对照也称为模拟量。因日立仪器吸取试剂时并不就是按参数设置的体积吸取,而就是要多吸一部分(此部分称为模拟量),此种设计的目的就是为了防止试剂被稀释。工作模式比较人们把连续变化的物理量称为模拟量、指针式万用表的指针偏转可随时间作连续变化,并与输入量保持一种对应关系,故称之为模拟式万用表(VOM)。 遥测 遥测——反映电力系统及设备的运行状态如有功功率、无功功率、电压、电流及频率等也称为模拟量、电量——这就是功率对时间的积分量主要用于统计与记帐。 数字量与模拟量的区别
数字量 在时间上与数量上都就是离散的物理量称为数字量。把表示数字量的信号叫数字信号。把工作在数字信号下的电子电路叫数字电路。 例如: 用电子电路记录从自动生产线上输出的零件数目时,每送出一个零件便给电子电路一个信号,使之记1,而平时没有零件送出时加给电子电路的信号就是0,所在为记数。可见,零件数目这个信号无论在时间上还就是在数量上都就是不连续的,因此她就是一个 数字信号。最小的数量单位就就是1个。 模拟量 在时间上或数值上都就是连续的物理量称为模拟量。把表示模拟量的信号叫模拟信号。把工作在模拟信号下的电子电路叫模拟电路。 例如: 热电偶在工作时输出的电压信号就属于模拟信号,因为在任何情况下被测温度都不可能发生突跳,所以测得的电压信号无论在时间上还就是在数量上都就是连续的。而且,这个电压信号在连续变化过程中的任何一个取值都就是具体的物理意义,即表示一个相应的温度。 转换原理 1、数模转换器就是将数字信号转换为模拟信号的系统,一般用低通滤波即可以实现。数字信号先进行解码,即把数字码转换成与之对应的电平,形成阶梯状信号,然后进行低通滤波。 根据信号与系统的理论,数字阶梯状信号可以瞧作理想冲激采样信号与矩形脉冲信号的卷积,那么由卷积定理,数字信号的频谱就就是冲激采样信号的频谱与矩形脉冲频 谱(即Sa函数)的乘积。这样,用Sa函数的倒数作为频谱特性补偿,由数字信号便可恢复为采样信号。由采样定理,采样信号的频谱经理想低通滤波便得到原来模拟信号的频谱。 一般实现时,不就是直接依据这些原理,因为尖锐的采样信号很难获得,因此,这两 次滤波(Sa函数与理想低通)可以合并(级联),并且由于这各系统的滤波特性就是物理不可实现的,所以在真实的系统中只能近似完成。 2、模数转换器就是将模拟信号转换成数字信号的系统,就是一个滤波、采样保持与编码的过程。模拟信号经带限滤波,采样保持电路,变为阶梯形状信号,然后通过编码器, 使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。 众所周知,在控制系统中有两个常见的术语,“模拟量”与:开关量“不论输入还就是输出,一个参数要么就是模拟量,要么就是开关量。 模拟量:控制系统两的大小就是一个在一定范围内变化的连续值。比如温度,从0—100度,压力从0-10Mpa,液位从1—5米,电动阀门从开度0----100%,等等,这些都就是模拟量。 开关量:该物理量只有两种状态,入开关的导通与断开的状态,继电器的闭合与打开,电磁阀的通与断,等等。 对控制系统来说,由于CPU就是二进制的,数据的每位只有“0“与“1”两种状态,因此,开关量只要用CPU内部的一位即可表示。比如:用“0”表示开,用“1”表示关,而模拟量则根据精度,通常需要8位到16位才能表示一个模拟量。 最常见的模拟量就是12位的,即精度为2—12,最高精度约为万分之二点五。当然,在实际的控制系统中,
数字功放 数字功放概述 ?·数字功放简介 ?·数字功放原理 ?·数字功放制作方法 ?·数字功放中音质和载波频率... 数字功放的应用 ?·DDX的数字功放解决方案 ?·基于德仪音频的高保真数字功放 数字功放简介 数字功放采用早已存在的D类放大器电路，D类放大器的电路采用场效应管H-桥式链接。电路场效应输出的脉冲波经过恢复得到原来的正弦波，驱动扬声器产生声音。 数字功放原理 数字功放的功放管工作在开关状态,理论状态晶体管导通时内阻为零,两端没有电压,当然没有功率消耗; 而截止时,内阻无穷大,电流又为零,也不消耗.所以作为控制元件的晶体管本身不消耗功率,电源的利用率就特别高. 图1是数字D类功放的工作原理框图.D类功放处理的是经脉宽调制(PWM)的音频数字信号,声音信息埋藏在脉冲的占空比或脉冲密度中. 图示是音频信号的一种PWM调制方法,最为直观;较多采用的是以脉冲密度来表示信号大小的,脉冲密度大的地方,表示电压高;稀的地方,电压就低.双向信号可用其它方式调制,如占空比50%,即脉冲宽度与间隔宽度1:1,表示信号幅值为零;占空比大于50% ,幅度为正,这时数值越大,正幅度越高;占空比小于50%,幅度为负,越小越负.因为这种信号并不需要与外接设备直接相连,也就不需要格式完全统一,各厂可按自行研发的最佳方案调制.
音频PWM编码可以从两种途径获得,一是对模拟音频信号进行模数变换直接生成PWM数字音频.二是对其它编码的数字音频,如CD的PCM编码,通过数字信号处理技术变换成PWM码.获得后用此信号去控制大电流的开关型功率MOSFET由功率管输出一个大能量的PWM码.输出电压的大小由电源电压高低决定,输出的电流由负载扬声器的阻抗和电路形式决定.功率管工作在开关状态,只要开关特性好,线性要求几乎没有,制造成本比音响对管低,工业控制上这类MOSFET已用得很普遍,取材方便.由于开关管导通时的饱和压降和截止时的漏电流也会损失一些电能,但总效率仍有百分之九十几,为各类放大电路效率之冠. 开关晶体输出的是脉宽调制波形,要成为可听的模拟音频信号,还需经过一路带宽为20KHz的低通滤波器,滤去脉冲波形中的高频成分,见图3,一般说来功放的输出电压对选取电容的耐压不成问题,只是电感最大允许电流要设计正确. 数字功放由于效率高,管子的耗损小,功放的散热结构可以做得非常小巧简单,整个电路可以做得很小.所以,首先在笔记本电脑、有源音箱和声卡上采用.带有数字功放的声卡可直接接通普通音箱,这样使用就方便得多.随着技术的发展,数字功放也进入音响领域,TACT公司2000年推出的一款数字功放TACT Audio"黄金时代",令发烧音响界改变发结数字功放的成见,国内成都天奥公司更早就推出了用于家庭影院的数字多声道功放,深圳的三诺公司也在研发数字功放的有源音箱.国外多家芯片公司已推出带各种功能的数字功放IC器件,为整机生产厂更新产品提供了便利条件.一场功放革命正在悄然兴起. 从图1可以看出数字功放的另一优点是可以直接放大数字音频信号.CD和DVD碟片上输出的音频信号是数字化的,现在播放机解码后要经过数模变换,变成模拟音频后再送出.而采用数字功放后,就可把解码后的PCM数字音频信号直接进入数字信号处理电路处理成PWM码进行放大.省去了播放机中的数模变换和数字功放中的模数变换二个较贵重部分,不但音质受损少,成本也可降低. 利用数字功放技术生产整机时,音量调节方案会成为机种档次的分界线.简单方案就像传统模拟功放那样由电位器衰减模拟信号的输入幅度,实现音量衰减.这种方式数字信号的量化比特率得不到充分利用,小音量时信噪比下降,动态范围变小.而且也不能用于数字音频直接输入系统.
本科生毕业论文（设计） 题目: 数字功放的设计 姓名: 江丹 学院: 专业: 班级: 学号: 指导教师: 2014 年5月 25 日
目录 引言 (2) 1功放简介与发展现状 (3) 1.1 功放的种类 (3) 1.1.1 A类功率放大器 (3) 1.1.2 B类功率放大器 (3) 1.1.3 AB 类功率放大器 (3) 1.1.4 D类功率放大器 (4) 1.2数字功放的发展现状 (4) 2 数字功放的基本原理及电路组成 (5) 2.1 数字功放的工作原理 (5) 2.2 数字功放的电路组成 (6) 3 各模块电路设计 (7) 3.1 前置放大电路 (7) 3.2 三角波产生电路 (8) 3.3 比较器电路 (9) 3.4 驱动电路 (10) 3.5 功放与低通滤波电路 (11) 3.6 直流稳压电源 (13) 4 功能仿真与数据分析 (12) 4.1各电路仿真结果 (12) 4.1.1前置放大信号 (12) 4.1.2 三角波信号 (13) 4.1.3 PWM码 (13) 4.1.4 经过功放管的PWM码 (13) 4.4.5还原出的音频信号 (14) 4.2 数据计算与分析 (14) 4.2.1 电压放大倍数 (14) 4.2.2 效率 (14) 4.2.3 通频带宽度 (15) 5数字功放干扰抑制 (15) 6 D类功放的发展与技术展望 (16) 6.1 D类功放的不足 (16) 6.2 D类功放的最新发展——T类功率放大器 (16) 结论 (17) 致谢 (18) 参考文献 (18) 附录 (19)
数字功放的设计 电子信息工程专业学生 摘要：在日常生活中，我们已经感受到了电子技术给我们带来的便捷。在我们使用的各类电子设备中，数字功放正发挥着其不可替代的作用。所以设计出功能优异的数字功放已经是各大电子器件制造商的迫切任务。本文从数字功放的基本原理出发，着重介绍了它的各个电路组成部分。利用Multisim软件对所设计的电路进行功能仿真，并且达到了预期的效果。在实际电路中，针对其产生的电磁干扰提出了一些抑制方法。最后数字功放的发展趋势进行了简要描述。 关键词：PWM码门驱动电路滤波电路电磁干扰 引言 随着科学技术的不断发展，各种各样的电子产品层出不穷，例如笔记本电脑、移动通信终端、音箱等。这些事物的出现极大的丰富了我的日常生活，给我们的工作带来了很多便捷。然而，要使这些产品正常工作，数字功放是不可或缺的。数字功放其功放管的工作在导通和截止状态，如果输入信号使功放管处在导通状态，此时在理想状态下晶体管的内阻近似为零，所以管子两端没有压降，自然就不会产生功率消耗；如果输入信号使晶体管处在截止状态，那么晶体管的内阻就为无穷大，流经管子的电流就为零，也没有功率消耗。所以，晶体管在控制电路工作时是不会消耗功率的，这正是功放管能够达到比较高的效率的原因之一。正是由于数字功放的优越性能，所以它被广泛应用于电子设备中。因此，设计出符合要求的数字功放就显得格外重要。 1功放简介与发展现状 1.1 功放的种类 1.1.1 A类功率放大器 A类功放又称为甲类功放，如图1.1（a），对于此放大器的功率输出管，必须将其Q值设置在直流负载线的中点部分，因为这部分的线性最佳。这样输人信号在正负两个半周期内都能够使放大管在线性放大状态下工作，这时其导通角为360°。随之带来的问题就是能量转换效率很低，电路的最高效率也只有25%，并且需要两种晶体管交替互补才能使整个周期都处在放大状态，也不可避免地产
3.3 D类数字功放 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。
XXXXXXXXXXXXXX 毕业设计（论文）说明书 作者：学号： 05307081 学号： 05305238 学号： 05306088 系部：电气工程系 专业：应用电子技术 题目：D类音频功率放大器的设计 指导者： 评阅者： 2008年 5 月
摘要 数字功率放大器具有模拟功率放大器不可比拟的优势，代表着音响技术数字化的新台阶。本系统以高效率D类功率放大器为核心，输出开关管采用高速VMOSFET管，连接成互补对称H桥式结构，最大不失真输出功率大于1W，平均效率可达到70％左右。D类放大器包括脉宽调制器和输出级。 本文首先介绍了声音的基本特性、音响放大器的技术指标、放大器分类和D 类放大器的工作原理，接着进行了D类功放的仿真分析，包括PWM波的形成、频谱分析等等；然后根据D类功放的设计要素，设计了基于MAXIM公司的10W立体声/15W单声道集成芯片MAX9703/MAX9704的D类放大器，并对D类功放的发展与技术展望进行了描述。 在本文里，对放大器的各个模块包括放大电路、比较器电路、三角波产生电路、驱动电路等进行了设计和仿真，且达到了预先设定的指标。 关键词:D类放大器脉宽调制高速开关电路低通滤波
目录 1 引言 (5) 2 音响的基础知识 (7) 2.1 声音的基本特性 (7) 2.2 音响的结构及参数 (7) 2.3 放大器的技术指标 (7) 3 放大器的简介 (9) 4 D类功放的原理及仿真 (13) 4.1 D类功放的工作原理 (13) 4.2 D类功放的EDA仿真 (15) 4.2.1 EDA仿真概述 (15) 4.2.2 D放大器原理仿真概述 (16) 4.2.3 输入信号抽样――PWM波的形成仿真 (17) 4.2.4 输出信号PWM波的频谱仿真分析 (17) 4.3 D类功放的优点 (18) 5 D类功放的硬件设计 (19) 5.1 D类功放的设计原理 (19) 5.2 D类功放的设计要素 (22) 5.2.1 输出晶体管尺寸选择 (22) 5.2.2 输出级保护 (22) 5.2.3 音质处理 (23) 5.2.4 EMI处理 (25) 5.2.5 LC滤波器设计 (26) 5.2.6系统成本 (27) 5.2.7 散热注意事项 (27) 5.3 D类功放电路分析与计算 (31) 5.3.1脉宽调制器（PWM） (31) 5.3.2 前置放大器 (33) 5.3.3 驱动电路 (34) 5.3.4 高速开关电路 (35) 5.3.5 低通滤波 (40) 6 MAX9703/MAX9704单声道/立体声D类音频功率放大器 (44) 6.1 概述 (44) 6.2 MAX9703/MAX9704详细说明 (44)
数字功放和模拟功放优缺点 数字功放取代模拟功放是趋势，数字功放有模拟功放无法比拟的优点，从理论上讲，如果能找到一个理想的开关元件，数字功放的效率可以做到100%。然而，迄今为止没有一家公司有这种理想开关元件。难免产生一小部分损耗。会因MOS的RDS不同而损耗会不一样。但是不管怎样，它的效率可以达到90%以上，这是模拟功放无法达到的。 一、数字功放和模拟功放的效率 把音频信号调制一个较高的固定频率上，再解调音频信号的过程，这就是数字功放的基本原理。它的最大优点就是效率高，这样可以用很小功率的电子器件就可以制做出很大的功率。小功率，1W-3W的功放而言，在同样的测试条件下，AB类功放与D类功放的效率各为AB=15% D=75%。在输出1W的情况下，AB 类要消耗6.7W功率。但D类只消耗1.33W功耗。在输出10W的功放,AB类功放要消耗40W功率。而D类只消耗12.5W。而且D类功放所产生的2.5W热可由PCB设计时散热，省掉了散热器。在大功率输出的情况下100W-500W的D类功放可以使用很小的散热器。D类功放在大功率功放中的优势更为明显。 二、D类功放的成本 D类功放还体现在成本方面的优势。高效率可以大大节省电源成本。不管是线性电源还是开关电源都是以功率来计算单价的。如2X15W的功率来计算，D类放大器的总功率约为30/80%=37.5W. 模拟功放的功率为30W/45%=66.7W。数字功放电源的价格成本省近1半。 D类功放主要器件成本也很低。如100W功放来计算，用IR的方案，IRS2092不到7元钱，MOS管也不到7元。这2个主要器件加起来不超过20元。而
模拟功放的大散热器就超出这个价格。D类保护电路更全，D类功放内部一般设有保护触发电路，可以省掉继电器，省掉机械触点，节省成本，减少故障点。同时因数字功放发热少，在大功率功放中可以省掉机箱后面的风扇。 三、过载能力与功率储备 数字功放的过载能力远高于模拟功放，模拟功放三极管工作在线性区，当过载后，三极管会饱和，出现谐波失真。而数字功放MOS管是工作在饱和区，截止区，因些不会引起失真。MOS管是电压器件，瞬态响应好。四、交越失真和失配失真 模拟功放有过零失真，这是由于三极管在小电流时的非线性特性而引起的在输出波形正负交接处的失真（小信号时三极管会在截止区，无电流通过，导致输出严重失真）而D类功放，MOS工作在开关状态，不会产生交越失真。 模拟功放存在推挽管特性不一致而造成输出波形不一样引起失真。在制做大功率功放时往往要配对，这增加了生产的难度。而数字功放对2个MOS的特性一致性要求不严。 五、功放和喇叭的匹配 由于模拟功放中的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的喇叭时，模拟功放的工作状态会因负载阻抗不同而受到很大影响。而数字功MOS管RDS内阻很小，几毫欧，几十毫欧，最大在200毫欧以下。相对负载喇叭阻抗（4R,8R,16R）完全可以忽略不计。因些不存在阻抗匹配问题。 六、数字功放有很好的开关机降噪电路。 数字功放内部PWM信号，电压控制更方便，可以很简单的做到开，关机降噪电路。关闭、延时开启PWM，小信号电压控制。而模拟功放要做到
开关量数字量模拟量 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
开关量：开关量只有两种状态，0、1，包括开入量和开出量，反映的是状态。 数字量：数字量由多个开关量组成。如三个开关量可以组成表示八个状态的数字量。 模拟量：模拟量是连续的量，数字量是不连续的。反映的是电量测量数值（如电流、电压）。 1、开关量：为通断信号，无源信号，电阻测试法为电阻0或无穷大； 也可以是有源信号，专业叫法是阶跃信号，就是0或1，可以理解成脉冲量 版主说的好，多个开关量可以组成数字量 2、数字量：有0和1组成的信号类型，通常是经过编码后的有规律的信号。和模拟量的关系是量化后的模拟量。 3、模拟量：连续的电压，电流等信号量，模拟信号是幅度随时间连续变化的信号，其经过抽样和量化后就是数字量。 4、脉冲量：在瞬间电压或电流由某一值跃变到另一值的信号量。在量化后，其连续规律的变化就是数字量，如果其由0变成某一固定值并保持不变，其就是开关量 开关量主要指开入量和开出量，是指一个装置所带的辅助点，譬如变压器的温控器所带的继电器的辅助点（变压器超温后变位）、阀门凸轮开关所带的辅助点（阀门开关后变位），接触器所带的辅助点（接触器动作后变位）、热继电器（热继电器动作后变位），这些点一般都传给PLC或综保装置，电源一般是由PLC或综保装置提供的，自己本身不带电源，所以叫无源接点，也叫PLC或综保装置的开入量。 数字量定义为：在时间和数值上都是断续变化的离散信号。
模拟量定义为：在时间和数值上都是连续变化的信号。 最基本的数字量就是0和1，最基本来说即指反映到开关上就是指一个开关的打开（0）或闭合（1）状态，开关量是无源的，即它需要装置输出电源对它进行检测（这也就是装置的开入量，如综保装置的非电量输入即是一个外部提供的开入量）；也可以用0和1进行编码，编成各种通讯码。 模拟量即指经PT、CT等传送过来的电压、电流、频率等电量信号；压力传感器经压力变送器、液位传感器经液位变送器、流量传感器经流量变送器、热电偶或热电偶经温度变送器等传送过来的4-20mA（电Ⅲ型仪表）信号等就是模拟量。综保装置能检测电量（经PT、CT等传送过来的电压、电流、频率等信号，即模拟量）和非电量信号（变压器的轻瓦斯、重瓦斯、超温信号，即非电量，也就是开关的打开和闭合） 开关量、数字量、脉冲量。 1、直接测量到的是开关量、模拟量。 开关量：反映的是状态信号（如开关开、合）。 模拟量：反映的是电量测量数值（如电流、电压）。 2、脉冲量一般是积分量（如电度量），不能直接测量到，需要经过测量仪表进行运算得到。 3、接测量到的开关量、数字量、脉冲量进行调制、数字编码，在通讯通道中传输。 以前也有用模拟信号来传输的，现在一般都是用数字信号来传输。 4、调度端解调信号，还原信息。
Guide for choosing right inductor for NTPxxxx NeoFidelity, Inc. Dec., 2014
Table of Contents 1General description 2Guide for selecting inductor A.Inductor current B.Example for selecting a right inductor C.Calculation of L and C for a low pass filter
1. GENERAL DESCRIPTION This document is made to help selecting a right inductor for a low pass filter when using NTPxxxx. NTPxxxx series are full digital amplifiers, which output PWM pulses. To reproduce analog audio signals, LC low pass filters are needed in general cases. 2. GUIDE FOR SELECTING INDUCTOR A. Inductor current Following Table 1 shows the currents on the inductor according to inductance, load resistance, and PVDD. Table 1. Inductor current In Table 1., inductor currents for 10 and 15uH are same as in the case for 8.2uH/15V/10W. B. Example for selecting a right inductor Here, the example illustrates how to select a proper inductor using the inductor specification, AE032X100048. Once the inductance and current for an inductor are set,
数字功放仍需模拟功夫 —如何设计出理想的D类放大器？ 在多通道和数字音源时代，采用D类放大器以简化前级线路、提高功放效率从而降低对电源及散热的要求，这已是大势所趋。但D类功放虽然也被称作数字化功放，但在电路设计上绝不像纯粹的数字电路那么简单，也不是直接采用一两块芯片就可以大功告成的。以数字手段实现模拟功能，仍然需要考虑许多模拟方面的因素，但考虑的因素和角度与传统的线性功放又有很大差异。本文除了介绍D类放大器的基本原理和好处之外，还着重讲解了输出级设计、功放管选择、电源、电磁兼容，以及电路板布局方面需要注意的一些问题，这些实用知识有助于设计师减少走弯路的麻烦。 D类放大的好处 凭借诸如极佳的功率效率、较小的热量以及较轻的供电电源等优点，D类放大器正在音频世界掀起风暴，这一点儿也不令人惊奇。的确，随着技术的成熟以及其所达到越来越好的声音重现效果，看起来继续使用D类放大器向市场渗透是一个颇有把握的赌注，以往在这个市场上只有传统的线性（A类、B类或AB类）功率放大器能够提供令人满意的性能。 环绕声格式的不断进步加速了这种趋势。由于越来越多的家庭和车内娱乐系统、DVD播放器以及AV接收机需要驱动六个或更多的扬声器，线性放大器及其电源的尺寸增大了，并且产生了更多的热量。例如，Dolby Digital（杜比数字）格式要求六个独立的输出级，而更新推出的Dolby Digital EX要求更多的8声道。鉴于此，D类放大技术的优势显得比以往更加突出。 输出级数模转换机制 所有D类系统的共同特点及其超群的功率效率的奥秘就在于输出级（通常是MOSFET）的电源器件总是要么全通要么全关。这与线性放大器形成对比，线性放大器输出晶体管的导通状态随时间变化。晶体管消耗的功率是其压降与流过电流之积（P=IV），通常占到线性放大器消耗的总功率的50%或更多。在D类系统中不是这样。由于所有输出晶体管要么压降为零（处于“通”状态）要么流过的电流为零（处于“关”状态），理论上根本不会损失能量。回到现实世界中，安装在数以百万计的微处理器之上的冷却风扇表明即使是纯数字系统也会以发热的形式浪费能量，D类放大器达到的功率效率在85至90%之间。 不过，如何使一个天生只能产生方波的开关器件再现音乐中多种多样的波形呢？某些类型的高频“数字”信号可以通过低通滤波产生平滑的“模拟”输出。最广泛使用的就是脉宽调制（PWM：pulse width modulation）技术，其中矩形波的占空比与音频信号的振幅成正比。通过与一个高频锯齿波比较，可以很容易地将模拟输入转换为PWM（参见图1）。
一、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功放只能接受模拟音频信号，用内部三角波发生器产生的三角波和它进行比较，其结果就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，其信息的传递过程是模拟的、非量化的、非代码性的。并且由于目前器件性能的限制，PWM功放不可能采用太高的采样频率，在性能指标上尚达不到Hi-Fi级的水平。而数字功放采用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，并且具备了一些独有的特点。 1. 过载能力与功率储备 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，出现谐波失真，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，失真度不会迅速增加，如图1所示。 图1 全数字功放与普通功放过载失真度比较 由于数字功放采用开关放大电路，效率极高，可达75%"90%（模拟功放效率仅为30%"50%），在工作时基本不发热。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备，加之前后无模拟放大、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起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，导致输出严重失真）。而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。
开关量：开关量只有两种状态，0、1，包括开入量和开出量，反映的是状态。 数字量：数字量由多个开关量组成。如三个开关量可以组成表示八个状态的数字量。 模拟量：模拟量是连续的量，数字量是不连续的。反映的是电量测量数值（如电流、电压）。 1、开关量：为通断信号，无源信号，电阻测试法为电阻0或无穷大； 也可以是有源信号，专业叫法是阶跃信号，就是0或1，可以理解成脉冲量 版主说的好，多个开关量可以组成数字量 2、数字量：有0和1组成的信号类型，通常是经过编码后的有规律的信号。和模拟量的关系是量化后的模拟量。 3、模拟量：连续的电压，电流等信号量，模拟信号是幅度随时间连续变化的信号，其经过抽样和量化后就是数字量。 4、脉冲量：在瞬间电压或电流由某一值跃变到另一值的信号量。在量化后，其连续规律的变化就是数字量，如果其由0变成某一固定值并保持不变，其就是开关量 开关量主要指开入量和开出量，是指一个装置所带的辅助点，譬如变压器的温控器所带的继电器的辅助点（变压器超温后变位）、阀门凸轮开关所带的辅助点（阀门开关后变位），接触器所带的辅助点（接触器动作后变位）、热继电器（热继电器动作后变位），这些点一般都传给PLC或综保装置，电源一般是由PLC或综保装置提供的，自己本身不带电源，所以叫无源接点，也叫PLC或综保装置的开入量。 数字量定义为：在时间和数值上都是断续变化的离散信号。 模拟量定义为：在时间和数值上都是连续变化的信号。 最基本的数字量就是0和1，最基本来说即指反映到开关上就是指一个开关的打开（0）或闭合（1）状态，开关量是无源的，即它需要装置输出电源对它进行检测（这也就是装置的开入量，如综保装置的非电量输入即是一个外部提供的开入量）；也可以用0和1进行编码，编成各种通讯码。 模拟量即指经PT、CT等传送过来的电压、电流、频率等电量信号；压力传感器经压力变送器、液位传感器经液位变送器、流量传感器经流量变送器、热电偶或热电偶经温度变送器等传送过来的4-20mA（电Ⅲ型仪表）信号等就是模拟量。综保装置能检测电量（经PT、CT等传送过来的电压、电流、频率等信号，即模拟量）和非电量信号（变压器的轻瓦斯、重瓦斯、超温信号，即非电量，也就是开关的打开和闭合） 开关量、数字量、脉冲量。 1、直接测量到的是开关量、模拟量。 开关量：反映的是状态信号（如开关开、合）。 模拟量：反映的是电量测量数值（如电流、电压）。 2、脉冲量一般是积分量（如电度量），不能直接测量到，需要经过测量仪表进行运算得到。 3、接测量到的开关量、数字量、脉冲量进行调制、数字编码，在通讯通道中传输。 以前也有用模拟信号来传输的，现在一般都是用数字信号来传输。 4、调度端解调信号，还原信息。 把数字量和数字信号分清楚就很明了
数字功放的原理与制作 一、数字功放原理解析 数字功放，顾名思义就是将数字信号进行功率放大。数字信号通常用"0"来代表低电平，"1"代表高电平，从而组成一连串的方波信号。由于数字信号只有高低电平之分，因此，当用功放管对其进行放大时，功放管完全可以工作在开关状态，而不是放大状态，这样就大大减小了管子静态功耗，提高了效率。 为了实现数字功放，必须将模拟信号转化为数字信号，在这里通过M8L内部自带的十位模数转换器转换即可，然后用M8L的OCR1A和OCR1B引脚产生占空可变的脉冲串，即PWM。PWM信号是以一个固定频率为基础的，为了产生不同的模拟电平，可以通过改变这个脉冲串的占空比实现。要输出高的模拟电平，就增大占空比，反之减小。这样，通过PWM 就将模拟信号转换为数字信号。将PWM信号通过功放管进行进一步放大，再通过低通滤波器就可以产生模拟电平了。50％的占空比输出电源电平的一半，75％的占空比会产生75％电源电平。模拟滤波器可以是一个简单的无源的RC滤波器。滤波器滤除频率比较高的PWM信号，留下模拟信号。在用作数字功放驱动扬声器时，如果不是为了特殊的需要，为了最大限度地提高输出功率，可以不用低通滤波器滤波，因为扬声器就像个低通滤波器，它对高频的PWM信号是不会响应的。通常扬声器的响应频率范围为20Hz～20 kHz，远小于PWM信号的频率。 二、电路工作原理 电路原理图如图1所示，电路分为四个部分，包括前置放大、A／D与PWM转换、功率放大及滤波等。
1．前置放大电路 LM358组成同向放大电路，音频信号从LM358同向输人端输入，放大增益由R2和R1的阻值大小决定，电压放大倍数：Av=l+R2／R1。R3、R4和R5组成分压电路，当没有信号输入时，同向输入端的电压为2．5 V，经过C4、R2和R1组成的交流负反馈电路，输出端电压仍为2．5V。当有信号输入时，同向输入端的电压随着音频信号的变化而变化，经过C4、R2和R1组成的交流负反馈电路，输出电压Vout=Vin*Av。输出信号将以2．5V为轴，上下变动。由于工作电压为+5V，为了保证波形不失真，输入信号的峰值应小于2．5V／Av。LM358为单电源双运放，增益频带宽为1MHz，也可双单源工作。LM358的引脚图如图2所示。 2．A／D与PWM转换 这是电路的重要组成部分，由单片机M8L完成。M8L功能齐全、接口丰富。它有6通道A／D，包括4路10位A／D和2路8位A／D。片中的2个PWM通道可实现任意小于16位相位和频率可调的脉宽调制输出。M8L的PWM有3种工作模式：快速PWM模式、相位可调PWM模式和相位频率可调PWM模式。本电路采用的是快速PWM模式。M8L内部A／D转换是通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引脚上的电压再减去1LSB。通过写ADMUX寄存器也可以把AVCC或内部2．56V的参考电压连接到AREF引脚。在AREF上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。笔者采用的是8倍时钟分频，工作在连续A／D转换模式，每次A／D 转换时间需要13个ADC时钟，此时的A／D转换速率为16MHz／8／13=153．8kHz。为了提高ADC的抗干扰能力，ADC使用10位精度采样，然后将得到的值除以4作为OCR1A的值，OCR1B则为OCR1A 的补码，即255-OCRlA。 快速PWM模式可用来产生高频的PWM波形。快速PWM模式与其他PWM模式的不同之处是其单边斜坡工作方式。计数器从BOTTOM计到TOP，然后立即回到BOTTOM重新开始。对于普通的比较输出模式，输出比较引脚OC1x在TCNT1与OCR1x匹配时置位，在TOP时清零；对于反向比较输出模式，OCRlx 的动作正好相反。由于使用了单边斜坡模式，快速PWM模式的工作频率比使用双斜坡的相位修正PWM 模式高一倍。此高频操作特性使得快速PWM模式十分适合于功率调节，整流和DAC应用。高频可以减小