D题高效率音频功率放大器

1 绪论随着时代科技的高速发展，大量的电子设备应运而生。

在现实生活中，绝大部分电子设备都离不开音频信号的处理，高效率音频放大器直接影响到了许多电子产品的质量。

传统的音频功放工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁。

功率输出受到限制。

低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。

高效率功率音频功率放大器设计的关键是功率放大器放大电路的研究，提高功放的效率的根本途径是减小功放管的功耗。

方法之一是减小功放管的导通角，增大其在一个信号周期内的截止时间，从而减小管子所消耗的平均功率，高频大功率放大电路中，功放工作处于丙类（C类）状态。

方法之二是使功放管工作处于开关状态（即D类状态），此时管子仅在饱和导通时消耗功率，而且由于管压降很小，故无论电流大小，管子的瞬时功率都不大，因此管子的平均功耗也就不大，电路的效率必然提高，但是应当指出，当功放中的功放管工作在C类或D类状态时，集电极电流将严重失真，因此必须采取措施消除失真，如采用谐振功率放大电路，从而使负载获得基本不失真的信号功率[1]。

1.1设计高效率功率音频功率放大器的目的和意义音频领域数字化的浪潮以及人们对音频节能环保的要求，要求我们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。

传统的音频功率放大器工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，仍然很难满足大功率输出；而且需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路。

这次音频功率放大器的设计为了达到高效率的设计，采用D类功率放大器，D 功放是基于脉冲宽度调制技术的开关放大器，包括脉冲宽度调制器，功率桥电路，低通滤波器。

这种类型的功放已经展示出了良好的性能，要想设计出并实现电源效率高于90%，THD低于0.01%，低电磁噪音的D类功率放大器，或者甚至包括能将高保真音质技术引入的D类的放大器[2]。

1.3.4放大器类题目分析放大器类的题目有实用低频功率放大器（第二届，1995年）、测量放大器（第四届，1999年）、高效率音频功率放大器（第五届，2001年）和宽带放大器（第六届，2003年）。

实用低频功率放大器（第二届，1995年）要求设计制作一个具有弱信号放大能力的低频功率放大器，额定输出功率P OR≥10W，带宽BW≥（50～10000）Hz。

涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，方波信号发生器，低频功率放大器等。

测量放大器（第四届，1999年）要求设计制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。

差模电压放大倍数A VD＝1～500。

涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，信号变换放大器，测量放大器等。

高效率音频功率放大器（第五届，2001年）要求设计制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置，3dB通频带为300Hz～3400Hz，最大不失真输出功率≥1W。

涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，音频功率放大器等。

宽带放大器（第六届，2003年）要求设计并制作一个3dB通频带10kHz～6MHz，最大增益≥40dB的宽带放大器。

涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，AGC，宽带放大器等。

各题目具体要求如下：1. 实用低频功率放大器[2]（第二届，1995年）（1）设计任务设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。

其原理示意图如图1.3.14所示。

图1.3.14 低频功率放大器原理示意图（2）设计要求①基本要求第1部分：在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV，等效负载电阻R L为8Ω下，放大通道应满足：a. 额定输出功率P OR≥10W；b. 带宽BW≥（50～10000）Hz；c. 在P OR下和BW内的非线性失真系数≤3%；e. 在P OR下的效率≥55%；f. 在前置放大级输入端交流短接到地时，R L=8Ω上的交流声功率≤10mW。

第2部分：自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源②发挥部分第1部分：放大器的时间响应a. 方波产生：由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波：频率为1000Hz、上升时间≤1μs、峰-峰值电压为200mV pp。

d类功放转电流D类功放转电流的原理及应用引言：D类功放（Class D amplifier）是一种高效率的功率放大器，其工作原理是通过将音频信号转换为脉冲宽度调制（PWM）信号，然后经过滤波器得到模拟音频信号输出。

本文将介绍D类功放的工作原理，并探讨其在音响领域的应用。

一、D类功放的工作原理D类功放的核心是脉冲宽度调制技术。

当输入音频信号为正弦波时，D类功放将其转化为一系列的脉冲信号，脉冲的宽度随着音频信号的幅度变化而调整。

这些脉冲信号经过一个高频开关管（MOSFET）进行放大，然后由低通滤波器进行滤波，最终得到模拟音频信号输出。

D类功放的工作过程可以分为两个阶段：脉冲宽度调制和功率放大。

脉冲宽度调制阶段通过比较器和误差放大器将音频信号转化为PWM 信号，PWM信号的频率通常在几十千赫茨到几百千赫茨之间。

功率放大阶段则通过高频开关管对PWM信号进行放大，将其转化为模拟音频信号输出。

二、D类功放的优势相比传统的A类和AB类功放，D类功放具有以下优势：1. 高效率：由于D类功放采用了脉冲宽度调制技术，其功率转换效率通常可达到90%以上，远高于传统功放的效率。

2. 小尺寸：D类功放由于功率转换效率高，不需要大型散热器，因此体积更小，更适合集成在各种便携设备中。

3. 低热量：传统功放在工作时会产生大量的热量，而D类功放由于高效率的原因，热量较少，不易造成设备过热。

4. 低失真：D类功放的PWM信号经过滤波器后，可以得到较为纯净的模拟音频信号，音质更好，失真更低。

三、D类功放在音响领域的应用D类功放由于其高效率和小尺寸的特点，在音响领域得到了广泛的应用。

以下是几个常见的应用场景：1. 车载音响：由于车载空间有限，需要小尺寸的功放设备，D类功放能够满足这一需求，并且其高效率可以减少对汽车电池的负担。

2. 便携式音箱：便携式音箱通常需要长时间的续航能力，D类功放的高效率可以延长电池的使用时间，同时小尺寸也方便携带。

氮化镓（GaN）D类功放指的是利用氮化镓半导体技术制造的D类功率放大器。

氮化镓半导体在射频和微波功率放大器领域具有广泛的应用，其中D类功放是一种高效率的功率放大器类型。

D类功率放大器以其高效率和低失真而闻名，常用于音频放大器、射频通信系统和其他需要高效能的应用场景。

使用氮化镓材料制造D类功率放大器可以提供更高的工作频率、更好的功率密度和更好的热特性。

优点包括：
1. **高效率：** D类功率放大器能够在电源转换方面达到很高的效率，这意味着在输出更高功率的同时减少能源消耗。

2. **低失真：** 在保持较高效率的同时，D类功放能够产生较低的失真，有助于输出信号的准确性。

3. **快速开关特性：** 氮化镓半导体具有优异的开关特性，这使得D类功放器件能够快速切换，减少功耗损失。

氮化镓材料的特性使其成为制造高性能功率放大器的理想选择，尤其是在需要高频率、高功率和高效率的应用中。

利用氮化镓半导体技术制造的D类功率放大器能够为许多领域提供更有效的解决方案，例如通信系统、无线网络、雷达系统、音频设备等。

D类功放滤波D类功放滤波技术随着音频设备的不断普及和发展，对声音质量的要求也越来越高。

其中，功放滤波技术是影响音频质量的重要因素之一。

D类功放作为一种高效的功率放大器，也需要经过滤波技术的处理，提升音频品质。

本文重点讲述D类功放滤波技术相关内容。

整体分为以下几个方面：一、D类功放滤波的基本原理D类声音功放是一种高效率的功率放大器。

它将电路中的输入信号进行采样和量化，然后根据量化值的变化来控制输出件的状态。

由于D 类功放能够在工作点上保持开关状态，所以它的效率比A类和B类功放要高。

然而，由于D类功率放大器的工作方式特殊，因此需要进行特殊的滤波处理。

通常会进行输出滤波和电源滤波两个方面的滤波处理。

二、D类功放输出滤波技术输出滤波技术是D类功放滤波技术中的重要组成部分。

它的主要作用是滤除电路中不需要的高频噪声信号，从而提高输出信号的质量。

滤波是通过在输出端添加一个输出滤波器来完成的，这个滤波器通常由电容器和电感器组成。

在工作过程中，输出滤波器会产生一个低通滤波器的效果，来滤除高频噪声信号，提高音频品质。

三、D类功放电源滤波技术电源滤波技术是D类功放滤波技术中一项非常重要的技术，它的作用是滤除电路中不需要的电源噪声信号，从而提高音频的品质。

通常，电源滤波技术采用的是一个大电容器来滤除电路中的高频噪声，这样可以保证电路的稳定性和工作黏性。

四、D类功放滤波技术的优点通过对D类功放滤波技术的介绍，我们可以发现它有以下几个优点：1.高效。

D类功率放大器具有非常高的效率，可达到90%以上，相较于其他类型的功率放大器，D类声音功率放大器不仅功率输出大，热量少，还能有效地减轻电源负荷，降低了功放的总成本。

2.低扭曲。

D类功率放大器中的滤波器能有效地滤除电路中不需要的信号，从而降低音频的失真，达到极低扭曲的效果。

3.低噪音。

在D类功率放大器中进行的滤波处理可以有效地滤除电路中不需要的高频噪声，从而降低电路的噪声，并提高音频的品质结语D类功放滤波技术是提高音频品质的重要手段之一。

TI TPA3116D2 2x50W D类音频放大器解决方案TI公司的TPA31xxD2系列是立体声高效数字功率,能驱动2欧姆扬声器高达100W.工作4.5 V – 26 V,效率大于90%,TPA3130D2的高效率可采纳单层,不用散热器提供2x15W输出功率, TPA3118D2采纳双层PCB, 不用散热器提供2x30W/8欧姆输出功率, TPA3116D2采纳小型散热器可提供2x50W/4Ω输出功率,主要用于小/微型元件的条形音箱,后市场,CRT TV和消费类音频.本文介绍了TPA31xxD2主要特性,方框图, 应用以及评估板TPA3116D2EVM主要指标,图,材料清单和PCB布局图.The TPA31xxD2 series are stereo efficient, digital amplifier power stage for driving speakers up to 100W/2Ω in mono. The high efficiency of the TPA3130D2 allows it to do 2x15W without external heat sink on a single layer PCB. The TPA3118D2 can even run 2x30W/8Ω without heat sink on a dual layer PCB. If even higher power is needed the TPA3116D2 does 2x50W/4Ω with a small heat-sink attached to its top side PowerPad. All three devices share the same footprint enabling a single PCB to be used across different power levels.The TPA31xxD2 advanced oscillator/PLL circuit employs a multiple switching frequency option to avoid AM interferences; this is achieved together with an option of Master/Slave option, making it possible to synchronize multiple devices.The TPA31xxD2 devices are fully protected against faults with short-circuit protection and thermal protection as well as over-voltage, under-voltage and DC protection. Faults are reported back to the processor to prevent devices from being damaged during overload conditions.TPA31xxD2主要特性:Supports Multiple Output Configurations第1页共3页。

NS4150B 3.0W单声道D类音频功率放大器1特性●工作电压范围：3.0V～5.0V●输出功率：2.8W（5V/4Ω,THD=10%）●0.1%THD（0.5W/3.6V）●高达88%的效率●高PSRR：-80dB（217Hz）●无需滤波器Class-D结构●优异的全带宽EMI抑制能力●优异的“上电，掉电”噪声抑制●低静态电流：4mA（3.6V电源、No load）●过流保护、过热保护、欠压保护●MSOP8封装2应用范围●平板电脑●行车记录仪●蓝牙音箱3说明NS4150B是一款超低EMI、无需滤波器3W单声道D类音频功率放大器。

NS4150B采用先进的技术，在全带宽范围内极大地降低了EMI干扰，最大限度地减少对其他部件的影响。

NS4150B内置过流保护、过热保护及欠压保护功能，有效地保护芯片在异常工作状况下不被损坏。

并且利用扩频技术充分优化全新电路设计，高达90%的效率更加适合于便携式音频产品。

NS4150B无需滤波器的PWM调制结构及增益内置方式减少了外部元件、PCB面积和系统成本。

NS4150B提供MSOP8封装，额定的工作温度范围为-40℃至85℃。

4典型应用电路5管脚配置MSOP-8的管脚图如下图所示：注：超过上述极限工作参数范围可能导致芯片永久性的损坏。

长时间暴露在上述任何极限条件下可能会影响芯片的可靠性和寿命。

7电气特性工作条件（除非特别说明）：T=25℃，VDD=4.8V。

8典型特性曲线下列特性曲线中，除非指定条件，T=25℃。

9应用说明9.1芯片基本结构描述NS4150B是一款超低EMI、无需滤波器3W单声道D类音频功率放大器。

在5V电源下，能够向4Ω负载提供3W的功率，并具有高达90%的效率。

NS4150B采用先进的技术，在全带宽范围内极大地降低了EMI干扰，最大限度地减少对其他部件的影响。

NS4150B无需滤波器的PWM调制结构及增益内置方式减少了外部元件数目、PCB面积和系统成本，利用扩展频谱技术充分优化全新电路设计。