D类功放的设计与分析_陈新国

分立式D类功率放大器的设计夏守行（浙江工贸职业技术学院电子工程系，浙江温州325003）（温州市府东路717号xiasing3@）摘要：文章依据D类功率放大器构成原理，设计了一种分立式D类功率放大器，主要由音频前级放大、三角波产生、PWM形成、驱动、桥式开关和滤波等电路组成。

功率开关采用桥式，以载波相移的控制方法，实现了三角载波的等效增频，降低了开关损耗和谐波。

关键词：D类功率放大器；载波相移；三角载波；开关损耗音频功率放大器简称功放，以电路形式对功放划分，有A、B、AB、D、G、H、S、T等多种音频功率。

A类功放效率最低，但音质较好，一般只适用于发烧级用户。

AB类功放应用最多，但其效率一般在50%以下，随音量而变化。

而D类功放的效率能轻松做到80%以上，应用愈来愈广。

不过常见的D类功放，一般为集成芯片为多，而对于许多的初学者和喜欢动手设计的爱好者，总想自己亲手设计整个D类功放电路，下面就此设计一个分立式的D类功放，并简要分析了其工作原理。

1 分立式D类功放原理框图整体电路框图如图1所示，输入的模拟音频信号经两个前级放大电路后，分两路分别与三角波产生器送来的三角波信号进行比较，产生两路PWM 信号，经驱动电路处理，分别去控制桥式开关电路的两个半桥开关，进行功率放大，最后经LC滤波器滤波，还原出音频信号，并送回反馈信号到前置放大电路，以减小失真。

图1分立式D类功放原理框图前置放大电路输出是两个相位相同的音频信号，而三角波产生器输出的是两个相位相反的信号，以便于载波相移调制。

电路只要对输入稍作修改，即可变成双声道功放，但为半桥输出。

2 音频前级放大电路电路如图2所示，为两个相同的反相比例放大电路，电压放大倍数A V= - R5/R4= - 5，一般音频设备线路输出电压幅度均较大，其有效值通常能达几百毫做以上，因此电路电压放大倍数不要太大，以免不匹配，改变R5的阻值，可改变电压放大倍数。

RP1和RP2是双连音量电位器。

本科毕业论文（设计）题目高效率D类音频功率放大器的设计作者学院信息科学与工程学院专业电子信息工程学号指导教师二〇年五月十日诚信声明本人声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立开展工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过的作品成果。

对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本科毕业论文（设计）作者签名：二○年五月十日摘要随着信息化时代的到来，以功放电路为设计核心的电子产品渐渐地走进人们的生活，耳机、音响等音频功放类电子产品被现代人所迅速的接纳和青睐，随之音频功率放大器得到了快速的发展。

本设计为高效率D类音频功率放大器。

设计主要包括四个部分：前置增益放大电路、三角波产生电路、信号转换电路和显示电路。

在输出信号无失真的情况下测量，3db通频带为300∽3400Hz，最大不失真功率达到150mW，在此情况下测量的功率放大器效率明显大于60%。

设计中采用了高效率的D类功放为设计核心，以D类功放最新成果为设计思想，并配置5V便携式电源供电，完全符合产品市场化与用户需求。

关键词：通频带；最大不失真功率；D类功率放大器；效率ABSTRACTWith the advent of the information age to the core of the amplifier circuit design of electronic products gradually into people's lives, headphones, audio and other audio amplifier electronics are modern and favor the rapid acceptance, along with an audio amplifier to get rapid development.The system is designed is a high efficient Class-D Audio Power Amplifer.Design includes for parts: pre-gain amplifier circuit ,the triangular wave generating circuit,signal conversion circuit and display circuit.In the case of the output signal without distortion measure,3db passband of 300~3400Hz,the maximum distortion power of 150mW,the effciency measured in this case significantly greater than 60%.Design uses a high-efficiency Class D amplifier design core to the latest results for the Class D amplifier design ideas and configure 5V portable power supply products in full compliance with the market and customer needs.Keywords:Passband; Class D power amplifier; Maximum power without distortion; Efficiency目录诚信声明 ....................................................................................................................................... 摘要 . (I)ABSTRACT (II)第一章前言 (III)1.1 设计背景 01.2音频功放的概述 01.3 音频功放的分类 (2)第二章方案论证与比较 (4)2.1高效率功率放大器 (4)2.1.1 功率放大器的选择 (4)2.1.2功放核心实现电路的选择 (4)2.2信号变换电路 (6)2.3功率测量电路 (6)第三章各模块电路原理分析与计算 (8)3.1调制电路 (8)3.2高速开关桥式电路 (8)3.3三角波产生电路 (9)3.4驱动电路 (10)3.5低通滤波器模块电路 (11)3.6信号变换模块电路 (11)3.7整体电路性能仿真 (12)第四章系统仿真测试及数据分析 (14)4.1测试仪器 (14)4.2测试结果 (14)4.3结果分析 (15)4.4改进措施 (16)第五章电路调试 (17)5.1不通电检查 (17)5.2通电检查 (17)5.3 测试与调整 (16)5.4整机联调 (18)第六章设计总结与心得 (19)6.1设计总结 (19)6.1.1原理图设计总结 (19)6.1.2电路安装过程总结 (19)6.1.3单元电路调试总结 (19)6.1.4PCB设计总结 (19)6.1.5 整机调试总结 (19)6.2设计心得 (20)参考文献 (21)致谢 (22)附录A：PCB布线图 (23)附录B：元器件清单 (24)第一章前言1.1 设计背景随着信息化时代的到来，以功放电路为设计核心的电子产品渐渐地走进人们的生活，耳机、音响等音频功放类电子产品被现代人所迅速的接纳和青睐，随之音频功率放大器得到了快速的发展。

D类功放电路设计小结设计原理：D类功放电路的设计原理基于PWM（脉冲宽度调制）技术。

其基本原理是将音频信号进行高频脉冲调制，然后通过开关管迅速切换，实现功率放大。

由于开关管处于两种状态（导通和关断）的时间比例决定了输出功率，故称为“D”类功放。

主要部件：信号源：可以是音频输入信号，也可以是数字信号。

音频输入信号需要经过电压放大电路进行预处理，而数字信号可以直接通过数字调制器提供。

PWM调制电路：将输入的音频信号进行高频脉冲调制，生成并控制开关管的导通和关断。

功率开关：根据PWM调制的结果，控制开关管的导通和关断状态。

开关管一般使用MOSFET或IGBT作为功率开关，具有低导通电阻和高开关速度的特点。

输出滤波电路：将开关管输出的脉冲信号进行滤波，恢复为平滑的模拟音频信号。

输出滤波电路主要由电感和滤波电容构成。

保护电路：用于对功放电路进行过流、过温、过压等保护，保证电路和设备的安全可靠运行。

关键技术：PWM调制技术：合理选择PWM调制频率和调制深度，可以提高功放电路的保真度和效率。

频率选择应考虑开关管的开关速度和滤波电路的截止频率，调制深度的选择应在保证低失真度的前提下尽可能提高效率。

功率开关选择：功率开关的选择应根据输出功率和负载特性进行匹配，要考虑到导通电阻、开关速度、最大耗散功率等因素，并确保可靠性和寿命。

输出滤波设计：输出滤波电路的设计应根据输出功率和频率响应要求来确定电感和滤波电容的数值。

合理的设计可以降低输出失真度。

保护电路设计：保护电路应包括过流保护、过温保护和过压保护等功能，以保护功放电路和负载设备的安全。

保护电路设计应考虑速度快、可靠性高。

总结：D类功放电路的设计涵盖了信号源、PWM调制电路、功率开关、输出滤波电路和保护电路等方面，其中关键技术包括PWM调制技术、功率开关选择、输出滤波设计和保护电路设计。

合理选择和设计这些部件和技术，可以实现高效率的功率放大和优质音质输出。

在实际设计中，还需考虑功放电路的功率和频率响应等具体需求，并进行仿真和实验验证，以进一步优化设计。

基本D类放大器设计与分析表面看来，复杂的D类放大器要想得到广泛的应用还需要解决一系列实际问题。

本文作者为设计和实现分立元件的D类放大器提出了一些自己的看法，从理性和未来工程标准的角度，作者选择了一些器件并分析了仿真工具的缺点与局限性。

[引言]功率放大器广泛地应用于多种现代设备当中。

通常放大器能将低功率的输入信号转换放大为几瓦或更高功率的信号输出，理想情况下，输入信号波形应该没有任何改变地被复制放大。

市场上共存着多种类型功率放大器，并按照晶体管的导通时间分类。

A类放大器(Class A Amplifier)A类放大器晶体管总是处于导通状态，也就是说没有信号输入时，晶体管也有输出功率，因此晶体管会变得很热，大部分功率都浪费在了产生热量上。

尽管其效率很低(约20%)，但精度非常高。

图1.1：A类放大器B类放大器(Class B Amplifier)B类放大器采用两只晶体管，每只晶体管工作半个周期，一只晶体管工作于输入信号的正半周，另一只晶体管则工作于输入信号的负半周。

因此在理论上两只晶体管不会在同一时间内导通。

在没有输入的情况下，两只晶体管均处于截止状态且无输出功率，故而其效率高于A 类放大器。

不过由于晶体管都需要一定的开通时间，因此在两只管子交替过程中输出端存在一个短暂的无输出功率状态。

这个无功率区域称为交越区(crossover region)，如图1.2所示，这就造成了相对较大的信号失真。

所以B类放大器虽然具有很好的效率，但同时精度也不高。

图1.2：B类放大器的交越区AB类放大器(Class AB Amplifier)AB类放大器与B类放大器非常相似，但由于AB类放大器增加了两个消除交越区的二极管，可使两只晶体管在同一时刻导通，因而其性能有所改善。

AB类放大器的效率(约为50%)不如B类放大器高，因为其两只晶体管可在同一时刻导通，但精度得到了提高，因此常作为音频放大器使用。

图1.3：AB类放大器D类放大器D类放大器与上述放大器不同，其工作原理基于开关晶体管，可在极短的时间内完全导通或完全截止。

高位D类功放集成电路的设计摘要：本文介绍了一种高位D类功放集成电路的设计。

该设计基于D类功放的工作原理，通过优化电路结构和参数，并采用高效的功率放大器，实现了高音质和高效能的音频放大功能。

经过实验验证，该设计在音频放大性能上表现出色，具有较低的失真和高效能的特点。

关键词：高位D类功放、集成电路、音频放大、失真、高效能一、引言音频放大技术在音响设备中起着至关重要的作用。

传统的A 类功放存在功率效率低、发热大和失真高等问题，而D类功放以其高效能和低失真的特点成为了音频放大领域的热门技术。

为了进一步提高D类功放的性能，本文设计了一种高位D类功放集成电路。

二、设计原理高位D类功放的设计基于D类功放的工作原理。

D类功放通过将输入信号进行脉宽调制，然后由功率放大器进行放大输出。

而高位D类功放通过优化电路结构和参数，以及采用高效的功率放大器，实现了更高的音频放大性能。

三、电路设计本设计采用了经典的高位D类功放电路结构。

其中包括输入级、功率放大级和输出级。

输入级负责将输入信号进行脉宽调制，功率放大级负责将调制后的信号进行放大，输出级负责输出放大后的信号。

在电路设计中，我们优化了电路参数，使其能够更好地适应音频放大的需求。

四、实验结果通过对设计的高位D类功放集成电路进行实验验证，我们得到了以下结果。

首先，该设计的音频放大性能表现出色，失真较低，能够还原原始音频信号，并保持高音质。

其次，该设计采用了高效的功率放大器，功率效率较高，发热问题较小。

最后，该设计在工作稳定性和可靠性上也表现良好。

五、结论本文设计了一种高位D类功放集成电路，通过优化电路结构和参数，并采用高效的功率放大器，实现了高音质和高效能的音频放大功能。

实验结果表明，该设计具有较低的失真和高效能的特点，适用于各类音响设备。

未来，我们将进一步优化该设计，提高其性能和可靠性。

D 类音频功率放大器的设计与测试本系统由咼效率功率放大器（D 类音频功率放大器）、信号变换 电路、外接测试仪表组成，系统框图如图 1所示。

b ・ OluFf; *! ] W Yn.r -?.-.-击去vn g n图1系统方框图1. D 类功放的设计D 类放大器的架构有对称与非对称两大类， 在此讨论的D 类功 放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥 的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。

D 类 功率放大器由PWM 电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框 图如图2所示。

采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的 PWM fe 路，用 输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号 幅度储号变挟电路变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。

采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。

全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。

实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。

图2 D类音频功率放大器组成框图D类功率放大器的工作过程是：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，控制开关单元的开/关，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器工作。

2.比较器比较器电路米用低功耗、单电源工作的双路比较器芯片 LM311构 成。

此处为提高系统效率，减少后级 H 桥中CMOS 管不必要的开合, 用两路偏置不同的三角波分别与音频信号的上半部和下半部进行比 较，当正端上的电位高于负端的电位时，比较器输出为高电平，反之 则输出低电平。

这样产生两路相互对应的PWM 波信号给后级驱动电路 进行处理，双路比较电路如图3所示。

图3比较器电路此处值得注意的是将上半部比较处理为音频信号接比较器的负 向端、三角波信号接正向端；下半部比较则相反，这样形成相互对应， 在音频信号的半部形成相应 PWM 波时，另半部为低电平，可保征后 级H 桥中的CMOS 管没有不必要的开合，以减少系统功率损耗。

D类功放输出滤波器的优化与仿真------------------------------------------------------------------------------------------------D类功放输出滤波器的优化与仿真第4期电子元件与材料 Vol.23 No.4 2004年4月 ELECTRONICCOMPONENTS & MATERIALSApr. 2004HIC技术陈新国，程耕国，高厚礼，杨岚(武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉 ,,,,,,)摘要:分析了D类功放大器输出滤波器设计的必要性，并且利用巴特沃思低通滤波器的设计方法对电路参数进行优化设计;采用Filter Free软件仿真滤波器的频域特性。

最终达到消除PWM信号中的开关信号和电磁干扰信号，提高效率和保真度，减小输出滤波器的体积和成本。

关键词:滤波器;开关信号;电磁干扰信号;优化中图分类号:TN73文献标识码:A文章编号:1001-2028(2004)04-0045-03Optimization and Simulation of Class D Audio Amplifier OutputFilter——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------CHEN Xin-guo, CHENG Geng-guo, GAO Hou-li, YANG Lan(Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China) Abstract: It deems essential that output filter be taken into account when designing D class. The author recommendslowpass Butterworth filter designing method to optimize circuit parameter involved, and takes advantage of Filter Free software simulating frequency characteristics of the output filter. Filter may serve the role to eliminate switching and EMI interfere in PWM signal. Thus to improve efficiency and fidelity, lower the filter cost and component sizes.Key words: filter; switching-signal; EMI signal; optimization人们在日常生活中经常用到如手机、笔记本电脑以及CD机等便携式产品，这类产品要求体积小，便于携带;且高效节能，电池的使用时间长，因此产品的音频系统大多采用D类功放，输出滤波器是D类功放的主要部分，对功放的体积、效率以及保真度都有很大的影响。

D类功率放大器设计与制作首先，我们需要明确D类功率放大器的工作原理。

它采用了脉冲宽度调制（PWM）技术，通过将输入信号转换为脉冲信号，并将其与高频的载波信号进行比较，以实现放大。

这样的设计使得D类功率放大器能够在输出功率为零或接近零时，电源能耗最低。

在设计D类功率放大器时，首先需要确定功率放大器的输出功率要求。

输出功率决定了需要使用的功率晶体管的尺寸和数量。

一般来说，功率放大器的输出功率越大，所需的功率晶体管尺寸和数量就越大。

接下来，需要确定功率放大器的负载阻抗。

负载阻抗是功率放大器输出末级与负载之间的阻抗匹配。

这样可以最大限度地传递功率，并减少功率放大器和负载之间的反射。

然后，需要确定驱动电路的设计。

驱动电路负责将输入信号转换为适合功率放大器的脉冲信号，并将其与载波信号进行比较。

通常，驱动电路采用运算放大器等器件，用于调整输入信号的幅值和偏置。

在设计完成后，我们可以着手制作D类功率放大器。

首先，需要根据设计要求选择合适的功率晶体管，并将其焊接到PCB板上。

然后，连接驱动电路和功率晶体管，以实现输入信号的转换和放大。

接下来，连接电源和负载，完成D类功率放大器的搭建。

在制作过程中，需要注意以下几个方面。

首先，确保电源和地线的连接正确可靠，以避免电路出现短路或断路的情况。

其次，注意散热问题，特别是功率晶体管的温度应控制在安全范围内。

此外，还要进行各种测试和调整，以确保D类功率放大器的性能和稳定性。

总结起来，D类功率放大器的设计和制作需要考虑功率要求、负载阻抗、驱动电路等因素。

通过选择合适的器件和进行正确的布线和连接，可以制作出高效率和低失真的D类功率放大器。

此外，制作过程中还需要注意电源和散热等问题，以确保功率放大器的稳定性和可靠性。

摘要D类放大器可延长电池供电的工作时间，并产生更少的热量，因此高效率D类音频功率放大器正越来越多地被用在移动电话、智能电话及其他类似便携式应用中，以取代AB类放大器。

D类功放在体积、效率、省电等方面优势很适合在便携式、紧凑式大功率场合下应用。

本设计是由三角波、音频信号经过比较器之后形成了一个PWM波，这个PWM波的占空比是随音频变化的。

用PWM波控制两个开关管来驱动喇叭，就会使喇叭上面的信号也是PWM波。

本设计的功能是实现D类功放，另外是想通过软件的方式实现音量大小的控制，并且显示适时的音量。

在具体的硬件设计实现上，主要由三角波发生电路（芯片NE555）、前置放大电路(芯片NE5532)、波形比较及死区控制电路（LM393双电压比较器）、音量控制电路、AT89S52最小系统等几部分构成。

在硬件设计的基础上，通过主要芯片将各功能模块有机地组织起来共同完成系统需要的功能，不仅保证了功放的高效性而且具有良好的音质效果关键词：D类功放；便捷式；死区控制；AT89S52；双电压比较器ABSTRACTThe class D amplifier can extend the working hours of batteries and produce less heat, so more and more high-efficiency Class D audio power amplifiers are being used in mobile phones, smart phones and other similar portable applications to replace the class AB amplifier. Because Class D amplifier has advantages in volume, efficiency, energy saving so it is very suitable for the portable and compacted high-power situations.The class D amplifier design formed PWM wave after the triangular wave and the audio signal through the comparator. The duty cycle of PWM wave were changing with the audio. The PWM wave control two switches to drive the speaker, it would also make the speaker’s signal also PWM wave. The design’s function were achieved Class D Amplifier. The other functions were to control of volume size through software and display timely volume. The design of specific hardware, it constituted by the triangle wave generation circuit (chip NE555), pre-amplifier circuit (chip NE5532), waveform comparison and dead-time control circuit (LM393 dual voltage comparator), the volume control circuit and AT89S52 minimum system several parts. This design which based on the hardware organized the function of modules organically to complete the system’s need function together through the main chip. It not only guaranteed high efficiency power amplifier but also had good sound quality.Key Words：Class D Amplifier; Portable; dead-time control; AT89S52; Dual V oltage Comparator目录1引言 (1)1.1 课题的背景 (1)1.1.1 课题的目的意义 (2)1.2 功放的基本知识 (3)1.2.1 功放的分类 (3)1.2.2 功放的工作原理及特点概述 (3)2系统组成 (4)2.1 系统框架 (4)2.2 三角波发生电路 (4)2.3 音频前置放大电路 (6)2.4 波形比较及死区控制、上管驱动下管驱动电路 (6)2.5 音频控制电路 (8)2.6 AT89S52最小系统 (8)2.7 数码显示电路 (9)3主要的功能元器件介绍 (10)3.1 元器件介绍 (10)3.1.1 NE555 (10)3.1.2 LM393 (12)3.1.3 NE5532 (13)3.1.4 DAC0832 (14)3.2 LED显示部分 (16)3.2.1 LED显示器 (16)4 单片机AT89S52简介 (17)4.1 AT89S52的引脚及功能 (17)4.1.1 I/O口 (18)4.1.2 P3口的第二功能 (19)4.2 特殊功能寄存器 (19)4.2.1 看门狗定时器 (20)4.2.2 定时器2 (21)5 程序设计 (25)5.1 如何进行程序设计 (25)5.2 程序流程图 (26)结论 (27)参考文献 (28)附录一：源程序 (29)附录二：电路原理图 (33)致谢 ............................................................................................. 错误！未定义书签。

D类音频功放设计 Revised by Petrel at 2021D类音频放大器的设计与制作摘要：本项目涉及高效节能、数字化、体积小、重量轻等特点的D类功率音频放大器。

适应便携设备高效及节能的客观要求。

顺应了市场的客观要求。

从而在音频集成领域具有很大的优势。

随着设计技术不断进步D类功率放大器的要求也在不断提高本文通过基于CMOS工艺的D类功率音频放大器构成，驱动实现、失真度等方面的特性来进行电路的设计。

本课题的目标是设计一个D类音频功率放大器，能对音频信号进行放大，放大器的通频带达到300~10000Hz，输出功率IW,输出信号无明显失真。

根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H桥互补对称输出及低通滤波模块等。

其中三角波产生器及比较器共同组成脉宽调制(PWM)模块，H桥互补对称输出电路采用驱动电流小、低导通电阻及良好开关特性的VMOSFET管，滤波器采用Butterworth低通滤波器。

关键词：D类功率放大器H桥驱动脉宽调制目录1.引言...................................................................................................... 错误!未指定书签。

2.系统方案.............................................................................................. 错误!未指定书签。

2.1总体方案设计................................................................................... 错误!未指定书签。

2.2三角波模块设计方案....................................................................... 错误!未指定书签。