D类功放原理与设计.ppt

D类放大高效率音频功率放大器电路图原理为提高功放效率，以适应现代社会高效、节能和小型化的发展趋势，以D类功率放大器为核心，以单片机89C51和可编程逻辑器件（FPGA）进行控制及时数据的处理，实现了对音频信号的高效率放大。

系统最大不失真输出功率大于1W,可实现电压放大倍数1~20连续可调，并增加了短路保护断电功能，输出噪声低。

系统可对功率进行计算显示，具有4位数字显示，精度优于5%。

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。

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，催生了D类（丁类）音频功率放大器出现和发展。

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。

1系统方案论证与选择1.1整体方案方案①：数字方案。

输入信号经前置放大调理后，即由A/D采入单片机进行处理，三角波产生及与音频信号的比较均由软件部分完成，然后由单片机输出两路完全反向的PWM 波给入后级功率放大部分，进行放大。

此种方案硬件电路简单，但会引入较大数字噪声。

方案②：硬件电路方案。

三角波产生及比较、PWM产生仍由硬件电路实现，此方案噪声较小、且幅值能做到更大，效果较好，故采用此方案。

1.2三角波产生电路设计方案①：利用NE555产生三角波。

该电路的特点是采用恒流源对电容线性冲、放电产生三角波，波形线性度较好、频率控制简单，信号幅度可通过后加衰减电位器控制。

D类功放原理与设计D类功放是一种利用数字技术来增强音频信号的功率的放大器。

它是一种以数字方式来放大音频信号的功放，以取代传统的A、B、AB类功放。

相较于传统的类A、B、AB功放，D类功放具有更高的效能和更小的体积。

它的设计原理基于PWM（脉宽调制）技术和一个能将模拟信号转换为数字信号的模拟-数字转换器（ADC）。

D类功放工作在开关状态，将输入的模拟音频信号转换为数字信号。

这个数字信号经过时钟和滤波器的处理，输出的是一个PWM波形。

PWM波形有两个状态，即高电平和低电平。

这两个状态之间的切换频率即为PWM频率。

高电平和低电平的占空比（高电平的时间占总周期的比例）根据输入音频信号的幅度进行调整。

PWM波形输出通过一个低通滤波器进行平滑处理，得到放大后的音频信号。

在这个过程中，由于D类功放开关状态的工作，功率损耗很小，效率非常高，达到了90%以上，远高于传统功放的30%～60%。

D类功放的优势不仅体现在效率上，还包括尺寸小、重量轻、发热量少等。

这使得D类功放非常适合应用在便携式电子设备、汽车音响和家庭影院等领域。

另外，由于D类功放的输出波形是PWM波形，因此它对输出的音频信号几乎没有非线性失真，能够提供高保真的音质。

在设计D类功放时，需要考虑以下几个方面：首先，要选择合适的ADC和PWM控制器。

ADC应具有高精度和高采样率，能够准确地将模拟信号转换为数字信号。

PWM控制器应具有稳定的时钟频率，能够产生高质量的PWM波形。

其次，要设计合适的滤波器。

滤波器的作用是平滑PWM波形，去除其中的高频成分。

设计滤波器时需要考虑的参数有截止频率、阶数和选择合适的滤波器类型（如二阶有源滤波器）。

另外，还需要设计适当的保护电路。

因为D类功放工作在高频开关状态，过电流、过压和过热都可能对电路造成严重损害。

因此，需要设计过电流保护电路、过压保护电路和过热保护电路来确保功放的稳定运行和安全性能。

最后，输出级的功率管选取也是设计D类功放时需要考虑的关键问题。

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，的效率为100% (实际效率可达90%左右)。

B类功放的效率为%(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。

传统的音频功率放大器有a类、ab类、b类、c类等几种，其功率放大器件（电子管、晶体管、场效应管、集成电路等）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%~2.8%。

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mosfet，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调制器，占空比调制器由比较器和三角波发生器组成[图1(b)]，用修正信号对三角波进行调制产生调制输出，推动功率管工作。

负反馈应取自低通滤波器之前，否则因滤波后的信号与输入的信号有相位差（二阶滤波器可能引起180°的相位差），可能引起电路自激，需采用复杂的相位补偿电路。

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MOSFET，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。

传统的音频功率放大器有A类、AB类、B类、C类等几种，其功率放大器件（电子管、晶体管、场效应管、集成电路等）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%~2.8%。

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调制器，占空比调制器由比较器和三角波发生器组成[图1(b)]，用修正信号对三角波进行调制产生调制输出，推动功率管工作。

负反馈应取自低通滤波器之前，否则因滤波后的信号与输入的信号有相位差（二阶滤波器可能引起180°的相位差），可能引起电路自激，需采用复杂的相位补偿电路。

测试报告课程名称：电子综合设计辅导项目内容：D类功率放大器学院：机电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：C08电气1班姓名：王延萍学号：081310138指导老师：陈庭勋时间：2010年6月15日测试项目 D类功率放大器一、设计任务设计一个高效D类功率放大器，供电电压为单20V，输入信号幅度小于100mV，上限截止频率10kHz，输出负载阻抗8Ω～4Ω。

二、对设计任务的分析所谓D类功率放大器，就是将音频信号转成脉宽变化的形式，再由脉冲放大器放大输出，然后通过低通滤波电路还原成音频信号。

由于脉冲放大器工作在开关状态，电路本身的损耗只限于三极管（或场效应管）导通时饱和压降引起的损耗和元件开关损耗，适当选择元件，可以使得总损耗较小，因而电路工作效率较高。

这类方式的放大电路实际是工作在非线性状态。

为了实现线性信号的传送，采用了PWM技术，即音频信号幅度的大小体现在脉冲信号的宽度中。

脉冲宽度大代表音频信号幅度大；反之，脉冲宽度小则代表音频信号幅度低。

对正弦信号进行调制时，称为SPWM调制，调制后的脉冲宽度按正弦规律变化，如图2-1所示。

图2-1 SPWM波形图这类电路的损耗主要是开关器件的开关损耗。

每一个开关管在每一个周期中都要开、关动作一次，损耗量的大小受器件性能制约。

在器件性能确定后，为了进一步减少损耗，可以采用SSPWM型调制方式。

所谓SSPWM调制，是指对正弦信号进行单边调制，其理想的工作波形图如图2-2所示。

在正弦信号的一个周期内，只有一半的开关元件处于开关工作状态，理论上可以使原功率电路的开关损耗减小一半。

D类功率放大器的输出以全桥驱动为宜，这样在有限的工作电源电压下，可以获得最大的输出功率。

在输出电路中，还需要连接LC 低通滤波电路，以滤除高频脉冲信号，保留原来的音频信号输出，防止开关脉冲影响声音质量。

低通滤波电路的阶数越高，滤波效果越好，一般都采用二阶以上的滤电路。

目前，只有在开关频率特别高的小功率D类功率放大器中，省略了后续的滤波电路。

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（PWM）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（MOSFET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AB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CD信号的功率放大.模拟D类放大器一般可分为前置放大级、PWM调制、功率放大与低通滤波四个部分.其中PWM调制和功率放大是D类放大器的核心，PWM调制的一般方案有：（1）采用PWM调制芯片产生PWM信号，此类芯片可方便的产生PWM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PWM型号为方波.（2）自己搭建PWM调制器，采用运放进行比较积分产生PWM信号.1．PWM调制分析（1）从能量的角度来看，在每个t 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（RLC ）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0f ，载频频率为1f 的调制信号，其频谱主要分布在01,f nf （(1,)n ∈∞）谱线上.当01f f >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.2 D 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PWM 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）PWM 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AB 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）SPWM 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SPWM 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PWM 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，PWM 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1-2 D 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PWM 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20Hz 到20kHz ，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NE5532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VCC 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PWM 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：V V V cc out 45.022020=⨯=三角波的频率为：kHz CR R R f 1594312==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．PWM 调制电路：利用高精度的比较器LM311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LM311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PWM调制器出来的PWM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20kHz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PSPICE软件模拟后，最后确定C1＝1uF，C2＝0.68uF，L1＝22uH，L2＝47uH.电路图如图2-5所示.图2－5 H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OP07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.。

d类功放的原理及电路设计
D类功放是一种数字功放，采用全数字化的技术来放大音频信号。

它的工作原理是将输入的模拟音频信号转换为数字信号，然后利用PWM（脉宽调制）技术将数字信号转换为高频的数字脉冲信号，接着利用低通滤波器将高频信号滤除，得到放大后的模拟音频信号。

D类功放的电路设计包含以下主要组成部分：
1. 输入级：负责将模拟音频信号输入功放电路，通常采用差分输入，以提高抗干扰能力和动态范围。

2. ADC（模数转换器）：将输入的模拟音频信号转换为数字信号。

通常采用高速的Σ-Δ调制器，将音频信号转换为高速脉冲流。

3. PWM（脉宽调制器）：接收ADC输出的数字信号，并将其转换为一系列高频的数字脉冲信号。

脉宽的宽度根据输入信号的幅度来调节。

4. 输出级：将PWM输出的高频脉冲信号进行滤波处理，恢复为模拟音频信号。

一般采用低通滤波器，滤除高频信号，保留放大后的音频信号。

5. 功率放大器：将输出级的模拟音频信号放大到足够的电平，以驱动扬声器。

D类功放相比于传统的A类、B类功放具有高效率、低热量、小尺寸等优势，适用于各种音频放大应用，如音响系统、汽车音响、无线通信等。

D类功放原理与设计D类功放（Class-D Amplifier）是一种高效率的功放设计，它通过将输入信号转换为数字形式，然后使用PWM（脉宽调制）技术将数字信号转换为模拟音频信号，以驱动扬声器。

相比传统的A类、AB类功放，D类功放无论从效率、体积还是发热量都有着显著的优势。

下面将详细介绍D 类功放的工作原理与设计。

D类功放的工作原理主要有两个关键步骤：数字调制和输出滤波。

首先，输入音频信号经过采样、量化和编码等过程，转换为数字信号。

接下来，这个数字信号经过PWM调制，通过高频的开关器件（例如MOSFET）产生PWM信号。

PWM信号的占空比由输入信号的幅度决定，即信号越大，占空比越大。

PWM信号经过滤波器后，得到模拟音频信号。

滤波器主要起到去除PWM信号中的高频成分和输出重建滤波的作用。

滤波器采用带通滤波器，其截止频率一般设置在音频范围内。

在滤波器的设计中，为了保持D类功放的高效率，需注意滤波器的带宽不能太宽，否则会引起部分高频PWM成分通过滤波器，导致功放的效率下降。

D类功放的设计中，一般会用到两种反馈：输出滤波器反馈和比较器反馈。

输出滤波器反馈是将滤波器的输出信号与输入信号进行比较，从而实现在输出负载变化时的自动控制。

比较器反馈则是将滤波器输出的模拟信号与一个参考电压进行比较，并产生PWM信号。

这两种反馈的作用是保证输出信号的准确性和稳定性。

在D类功放的设计中，要考虑音频信号的失真问题。

由于PWM信号的存在，会引起PWM谐波失真。

这种失真一般通过PWM的频率设置和滤波器的设计进行抑制。

此外，功放电路中还需考虑开关器件的驱动问题，对于MOSFET等器件，要确保其能够快速地开关。

总的来说，D类功放通过将输入信号进行数字调制，并通过PWM技术转化为模拟音频信号，以驱动扬声器。

它具有高效率、小体积、低发热量等优势，在音频应用中广泛使用。

然而，D类功放的设计也面临一些挑战，如PWM谐波失真、滤波器选择等，需要借助合适的设计技巧和辅助电路来解决。

1D 类音频功率放大器美国Power Analog 微电子公司首席科学家茅于海2放大器的分类（一）甲类放大器:效率约为20%3放大器的分类（二）乙类放大器:效率约为50%4放大器的分类（三）甲乙类放大器:效率约为50%5放大器的分类（四）●甲类放大器－失真最小，静点工作电流最大，效率最低●乙类放大器－失真较大，静点工作电流最小，效率较高●甲乙类放大器－失真中等，静点工作电流中等，效率中等●丙类放大器－失真极大，主要用在射频调谐放大器中●D 类放大器－或丁类放大器，不是工作点的不同，而是工作原理完全不同的新型放大器，也有人称之为数字放大器6D 类放大器的工作原理PWM （脉宽调制）的工作原理8D类放大器的原理图（一）单端输出9D 类放大器的原理图（二）加负反馈的D类放大器10D 类放大器的原理图（三）桥式输出(BTL)的D 类放大器11D 类放大器的性能●极高的工作效率，在二十瓦以内不需要散热器●最少的外部工作元件●很小的总谐波失真（THD ＋N ）●无外部滤波器时（利用喇叭线圈作为滤波器）会产生电磁波辐射干扰（EMI ）●采用专门的无滤波器D 类放大器可以在没有输出滤波器的情况下，得到很小的静点电流和很低的电磁干扰（EMI ）12无滤波器D 类放大器●普通D 类放大器都需要输出低通滤波器，以滤去脉宽调制的脉冲●如果不加滤波器，会引起静点电流的增大，和EMI 的增大●无滤波器D 类放大器采用了不同的调制技术可以避免静点电流的增大，还能够减小EMI ●TI 最早在2001年提出了无滤波器技术的专利●龙鼎微电子公司在2007年申请了新的无滤波器专利，并成功地推出了PAM8803三瓦D 类功放13D 类放大器的输出功率（一）●D 类放大器的输出功率和喇叭阻抗有极大的关系。

●从输出功率Po=I 2R 来看，好像是和R 成正比，好像R 越大，输出功率就越大，实际正好相反●因为电流是和R 成反比，所以输出功率接近和R 成反比●准确地说：Po=(V/1.414(2Rdson ＋R L ))2*R L,●假定V ＝5伏，Rdson=0.25欧姆，R L ＝4欧姆输出功率就是2.47瓦；RL ＝8欧姆，P ＝1.3845瓦14D 类放大器的输出功率（二）●D 类放大器的输出功率和失真度有很大关系●也和PWM 的调制度有关●对于正弦波上面公式中采用1.414●如果是100％PWM 调制的矩形波（直流）就是1.0●如果失真度是10％，则可以近似地采用1.315D 类放大器的效率(一)●末级晶体管工作于开关状态●理想开关效率为100％●截止时的损耗可以忽略●主要为导通时的电阻Ron效率＝R L /(2R on +R L )16D 类放大器的效率（二）●主要由末级导通电阻值R on 决定●若负载电阻为4欧姆，导通电阻为0.1欧姆，则效率为95％●若导通电阻增大至0.3欧姆，负载电阻不变，则效率降低为87％●若导通电阻增大至0.5欧姆，负载电阻不变，则效率降低至80％D类放大器的效率（三）18D 类放大器的效率（四）●因为在播放语言或音乐时，放大器大多数时间都工作于低输出功率的状态，所以D 类放大器的效率平均比AB 类放大器的效率高2.5到3倍●这种高效率的特点决定了D 类放大器特别适合用于便携式设备（延长电池寿命，不需要散热器而减小体积）和特大功率设备（减小功耗）中类的比较耗散功率（热量）20D 类放大器的失真（一）●主要考虑非线性失真或总谐波失真THD ＋N 其产生是由于：●采样时的脉宽误差和量化误差●驱动管的死区和延时●功放管的导通时间和体二极管恢复●输出滤波电感和电容的非线性22D 类放大器的滤波（一）●末级晶体管输出的是脉宽调制的矩形波●必须经过低通滤波才能滤出音频信号●动圈式喇叭本身具有电感●如果采用较高的矩形波频率就很容易滤除高频23D 类放大器的滤波（二）●过高的矩形波频率会导致效率降低，失真加大●无滤波器方案会在放大器和喇叭之间的引线上引起较大的射频辐射干扰●除非采用专门的“无滤波器”D 类功放●简单的滤波器就可以很好地解决射频干扰问题还可以提高效率●在无滤波器D 类功放也可以采用磁珠和小电容（200pF)，以进一步减小EMI24D类放大器的滤波（三）开关频率＝1MHz L=10uH,C=0.146uF 开关频率＝1MHz L=5uH,C=0.146uFD类放大器的芯片26D 类放大器的应用－手机●极其有限的电池寿命●极其有限的空间●要求中等的音质●单声道或立体声（在MP3或音乐手机中）●但必须防止射频干扰播放类放大器的应用－便携式电视机类放大器的应用－手提式对讲机34D类放大器的应用－其它传统音响设备●包括免提电话机、台式机有源音箱、电视机、功放、家庭影院●无体积限制●无电源限制●无空间限制●必须在性能和价格上和模拟功放竞争36PAM 公司的D 类放大器产品●PAM8303S ，3W （4欧姆，10％THD ），无滤波器单声道，高效率（90%),低失真（最低THD ＋N ＝0.5%）●PAM8403，3W （4欧姆，10％THD ），无滤波器立体声，高效率（90%),低失真（THD ＋N ＝0.5%）●PAM8803S ，在PAM8403中集成一个64级的数字音量控制，3W ，无滤波器立体声。

D类功放设计2.1PWM脉宽调制图2.PWM调制波形图PWM调制原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

模拟信号的具体调制方式即用三角波与输入信号作比较，将输入信号的幅值变化转换成幅值相等的脉冲宽度变化，形成PWM波。

类似，对数字信号调制就将数字信号与双向计数器作比较。

由于功率放大部分采用全桥输出，所以需要双路PWM脉冲，可采用对称PWM调制和差分PWM调制。

图3.对称PWM调制电路原理图图4.对称PWM调制在输入为零时波形图图3为对称PWM调制，工作时两路PWM波对称反相，无信号输入时，BTL输出的电压电流波形如图4示。

由图可以看到，采用这种方案零输入时的BTL输出的电压是垒加变大的，即使经过滤波后在零输入时的负载电流还是比较大，在滤波器设计不好时，则流过负载的电流就更大。

可见采用这种方案零输入时的负载电流较大，导致负载上的损耗大，降低了放大器效率。

图5.差分PWM调制电路原理图图6.差分PWM调制在输入为零时波形图图5为差分PWM调制，差分调制可以补偿直流偏置，对三角波要求不是很高。

静态时两路PWM波几乎是同相（由于很难做到同相，所以总会存在一定的相移），这时加在滤波器上的电压为就几乎为0。

经滤波器输出到负载（扬声器）的电流波形如图示。

由图6可以看到，由于两路同相输出，加载到滤波器的电压近似为0，此时负载电流极小，从而静态功耗很小。

输入信号为正时，输出的电压电流波形如图7示。

当输入信号为负时，则输出的电压电流波开形如图8所示。

从中我们可以看到采用“反宽度”的PWM作为D类放大器的BTL驱动信号其最大的好处是，抑制的零信号输入时静态损耗，进一步提高了放大器的效率。

图7.差分PWM调制在输入为正时波形图图8.差分PWM调制在输入为负时波形图2.2PWM功率放大及低通滤波本设计采用H形全桥作为PWM脉冲功率放大，电路见图9，与半桥相比，有如下优点：1，在电源、负载相同的情况下，全桥的额定输出功率是半桥额定输出功率的4倍，额定输出功率的计算公式如下：式中，P为额定输出功率，V（p-p）为额定输出峰峰值：全桥为电源值，半桥为电源值的一半，R为负载等效电阻，由此可见，在电源、负载不变的情况下，全桥额定输出是半桥的4倍。

功放 D 类1. 引言功放（Power Amplifier）是一种将音频信号放大的设备，用于将低电平的音频信号增强到足够大的电平以驱动扬声器或其他负载。

D 类功放是一种高效率的功放设计，具有低功耗、小尺寸和低热量等优点，已经广泛应用于音频设备、汽车音响和家庭影院系统等领域。

本文将详细介绍功放 D 类的原理、特点和应用，并讨论其在音频行业中的发展前景。

2. 功放 D 类原理D 类功放采用数字调制技术，将输入的模拟音频信号转换为数字信号，并通过脉冲宽度调制（PWM）技术来控制输出级上电流。

其工作原理如下：1.输入阶段：模拟音频信号经过采样和量化处理，转换为数字信号。

2.数字处理阶段：数字信号经过数字滤波器进行滤波和降噪处理。

3.脉冲宽度调制（PWM）：根据输入信号的幅值大小和频率，在每个时钟周期内产生不同占空比的脉冲。

4.输出级：PWM信号经过滤波器平滑处理后，驱动功放输出级的开关管，将电流传递到负载上。

功放 D 类的主要特点是在输出级采用开关管作为功率放大器，使得功率损耗大大降低，从而提高了功放的效率。

3. 功放 D 类特点功放 D 类相比传统A类和AB类功放具有以下几个显著特点：3.1 高效率D 类功放采用开关管作为输出级，其工作在两个状态之间：导通和截止。

开关管的导通损耗极小，因此功放 D 类的效率可以达到90%以上，远高于传统A类和AB类功放。

这意味着功放 D 类可以更好地利用输入电能，并且产生较少的热量。

3.2 小尺寸由于高效率设计和数字技术的应用，功放 D 类可以实现更小尺寸的设计。

这使得它非常适合应用于便携式音频设备、汽车音响和家庭影院系统等场景。

小尺寸也意味着更方便的安装和布局。

3.3 低热量由于高效率和低能耗特性，功放 D 类产生的热量相对较低。

这不仅有助于减少散热系统的设计难度，还可以提高设备的可靠性和使用寿命。

3.4 低失真功放 D 类采用数字技术进行信号处理和调制，在输出级通过PWM技术控制电流传递，因此具有较低的失真水平。