毕业设计（论文）-音频D类放大器的研究与设计.doc

音频 d 类放大器的设计与实现 摘 要 为了解决传统的音频功放线性放大器的一些不足，如体积较大，效率低下 等，d 类功率放大器应运而生并得到较快发展。d 类功放具有非常高的转换效率， 加之体积较小，易集成化等优点，已成为便捷式音频市场的新宠儿。然而，d 类放大器其自身并不完美，比如音质要求高，体积小，电池寿命短，低成本要 求等，要使得其市场认可度进一步提高，这些问题必须考虑。本课题就是针对 传统放大器的缺陷，通过比较对比引出了未来应用前景光明的 d 类音频放大器， 通过对 d 类放大器的原理介绍与单元模块的设计，加深了读者对音频 d 类放大 的认识，也在此过程之中让大家了解了 d 类放大器的问题所在，本文对改进的 问题提出了一些建设性的建议，希望这种设计带给读者一定关于 d 类放大器应 用方面的启发。 关键词：音频 d 类功率放大器；pwm 脉宽调制；btl 桥接负载；emi 电磁干扰 class d audio amplifier abstract class d amplifiers improve upon the traditional amplifier design by amplifying a digital signal instead of an analog signal for drastically superior efficiency. these amplifiers, because of their efficiency specifications, are often used in portable applications where small size and low power consumption are important for portability and battery use. this paper introduced d class amplifier, summarized the problems of d class amplifier and proposed some constructive ideas to its improvement, hoping to bring some inspirations about the specific application of d class amplifier to the readers. key words： class d audio amplifier；pwm（ pulse width modulation） ； btl（bridge-tied-load） ； emi（electro-magnetic interference） 目 录 第一章 引言.1 1.1 课题的背景 .1 1.2 课题的目的和意义 .2 第二章 射频功率放大器介绍.2 2.1 a 类放大器（class a amplifier）.3 2.2 b 类放大器(class b amplifier).3 2.3 ab 类放大器.4 2.4 d 类放大器(class d amplifier).4 第三章 d 类放大器的近期发展趋势 .5 3.1 d 类放大器的历史5 3.2 音频 d 类放大器的发展要求 .5 3.2.1 降低系统成本 .5 3.2.2 降低电磁干扰 .5 3.2.3 改善音频质量 .5 第四章 本文的主要工作.6 4.1 d 类放大器的基本结构6 4.2 pwm（脉宽调制）原理 7 4.3 三角波发生电路 .7 4.4 比较器 .8 4.5 驱动方式： .9 4.6 btl 桥接负载9 4.7 低通滤波器 11 4.8 以 tpa3122 芯片为核心的 d 类功放电路实现 11 第五章 音频 d 类放大器设计需要注意的问题15 5.1 输出晶体管尺寸选择 15 5.2 输出级保护 16 5.3 信噪比（snr） .16 5.4 失真原因 16 5.5 电源抑制 16 5.6 lc 滤波器的选择16 5.7 实验中遇到的问题 17 第六章 总结17 6.1 工作的总结、回顾 17 6.2 展望 17 参考文献19 致谢20 1 1 引言 1.11.1 课题的背景 几十年来在音频领域中，a 类、b 类、ab 类音频功率放大器一直占据“统治”地位， 其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从 单管到推挽过程；电路形成从变压器输出到 otl、ocl、btl 形式过程。其基本类型是模 拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。全球音视频领域数字化的浪潮以及人们 对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快开发高效、节能、数字化的音频功率放大 器，它应该具有工作效率高，便于与其他数字化设备相连接的特点。d 类音频功率放大器 是 pwm 型功率放大器，它符合上述要求。近几年来，国际上加紧了对 d 类音频功率放大 器的研究与开发，并取得了一定的进展，几家著名的研究机构及公司已经试验性地向市 场提供了 d 类音频功率放大器评估模块及技术。这一技术一经问世立即显示出其高效、 节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子工业、商业界的特别关注，现在这 一前沿的技术正迅猛发展，前景一片光明。 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。但是，a 类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。b 类 功放虽然效率提高很多，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满意。所以，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。由于集成电路技术 的发展，原来用分立元件制作的很复杂的调制电路，现在无论在技术上还是在价格上均 已不成问题。而且近年来数字音响技术的发展，人们发现 d 类功放与数字音响有很多相 通之处，进一步显示出 d 类功放的发展优势。 提到功放的设计人们立即会想到要解决两个问题一是保真度二是效率模拟功放利用 晶体管的线性关系保真度较高因此在目前的音响系统里模拟功放仍占有主导地位模拟功 放的不足是效率低能量消耗大散热要求高一般地 a 类功放的效率在 50%以下即使是改进 的 b 类或 ab 类其效率也在 75%以下而 d 类功放效率高体积小重量轻输出功率大的数字音 频功放在 20 世纪 90 年代末逐渐被行家们所重视近几年发展迅速各种专用的集成芯片通 用音响产品不断推陈出新不够理想的音质得到极大改善且数字音频功放的应用有利于实 现音响系统的全数字化。 d 类功放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，实际上晶体 管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输 出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下，d 类功放的效率为 2 100%，b 类功放的效率为 78.5%，a 类功放的效率才 50%或 25%（按负载方式而定） 。 d 类功放实际上只具有开关功能，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电 路中。然而，开关功能（也就是产生数字信号的功能）随着数字音频技术研究的不断深 入，用于音频放大的道路却日益畅通。20 世纪 60 年代，设计人员开始研究 d 类功放用于 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，两者都希望有 d 类 这样高效的放大器来放大音频信号。其中关键的一步就是对音频信号的调制。 现今，各种便携式的电子产品成为电子设备的一种重要的发展趋势。手机、 mp3、mp4 以及数码相机、便携式 dvd 等。他们虽然在功能及应用场合上有所差异，但至 少有两个共同点：第一，他们都具备音频输出，即使是数码相机，现在也普遍支持音频 回放，这样就需要有一个合适的音频放大器；第二，便携式设备很多情况下是靠电池供 电，这就要求一个消耗尽可能低的硬件系统。而对于音频放大器来说，就需要其能够在 保持最低的失真情况下得到更高的效率。这就导致了 d 类音频功率放大器在便携式设备 中的广泛应用。这些放大器可使设计人员节省电池电量，因为 d 类放大器比传统 ab 类 (或线性)放大器具有更高的效率。d 类放大器在理论上可以达到 100%，由此带来的附加 好处是对散热的要求大大降低，有利于高功率密度的集成，不过 d 类功放有些“生不逢 时” ，由于它需要高速功率开关器件，开关放大方式不可避免的会有 emi 问题，还有一个 原因是经典的信号调制方式，依赖频率和时基精度都足够高的基准比较信号，前者使 d 类放大器的高频表现明显低于低频，后者高精度时基的成本成几何级数增长。 1.1.11.1.1 课题的目的意义 通过本次毕业设计，达到使自己了解电子产品设计的基本方法，掌握产品设计的基 本步骤，利用大学期间所学的有关专业知识完成设计任务，加强理论与实际的结合，强 化自己综合运用知识的能力，明确学习的目的：学习是为了更好的应用。我对 d 类功率 放大器的有关专业知识多停留在理论上，并且不能贯通理解，形不成系统。在我离开学 校前，使我对所学专业的基础知识应有一个全面而贯通理解，并且具备较强的设计动手 能力。本课题正是基于以上思想所提出的，给我们提供了深入研究的空间，达到应用所 学专业基础知识解决实际问题的能力。 2 射频功率放大器介绍 功率放大器，简称“功放” 。在很多情况下主设备的输出功率难以负荷整个音响系统， 这时需要在主设备和播放器之间增加功率放大器来补充所需的功率差额，而功放器在整 个音响系统中起到了“组织、协调”的关键作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提 供良好的音质输出。目前功放有如下几个类型： 3 2.1 a 类放大器（class a amplifier） a 类放大器（也叫甲类放大器）的主要特点是：放大器的静态工作点设定在负载线的 中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内都导通，期间有很大的 dc 偏置电流流过（这 是造成效率低下的主要原因） 。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真 和交替失真较小，a 类放大器的优点是可以提供优良的音质，电路简单，调试方便；但效 率较低， （理论最大值仅有 25） ，晶体管功耗大，且有较大的非线性失真。所以如今 已经被淘汰掉。 图 2-1 a 类放大器 2.2 b 类放大器(class b amplifier) b 类放大器（也叫乙类放大器）需要两只晶体管，理论上两只晶体管不会在同一时间 内导通。因为每只晶体管只工作半个周期，一只晶体管工作于输入信号的正半周，另一 只晶体管工作于输入信号的负半周。在没有输入的情况下，所有晶体管都处于截止状态， 因而此时无输出功率，其效率高于 a 类放大器，一般为 50%。但由于晶体管需要一定的开 通时间，因此两只晶体管在交替过程中在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)，这就造成了较大的信号失真（图 2.3 中） ， 因此 b 类放大器也逐渐被设计者们所摒弃。 图 2.2 b 类放大器 4 图 2.3 2.3 ab 类放大器 有鉴于 a、b 两类放大器的优缺点，设计者们提出了改良方案：ab 类放大器（图 2.3 左）是 a 类放大器和 b 类放大器的组合折衷，它也使用 dc 偏置电流，但它远小于单纯的 a 类放大器。小的 dc 偏置电流足以防止交越失真（图 2.3 右） ，从而能提供良好的音质。 其功耗通常接近但小于 b 类放大器。但是，实际上即使是精心设计 ab 类放大器也有很大 的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。由于漏源极之间的电压 降很大，所以会产生很大的瞬时功耗。所以 ab 类放大器的效率约为 50%。 2.4 d 类放大器(class d amplifier) d 类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或 pcm 数字信息变换成 pwm(脉冲宽度调制)的脉冲信号,然后用 pwm 脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功 率放大器，也称为开关放大器。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功 率开关电路(半桥式和全桥式) 和低通滤波器(lc)等四部分组成.它利用极高频率的转换 开关电路来放大音频信号。 我们可以通过表 2.1 再进行一下简单的比较： 表 2.1 a 类放大器失真最小，静点工作电流最大，效率最低 b 类放大器失真较大，静点工作电流最小，效率较高 ab 类放大器失真中等，静点工作电流中等，效率中等 d 类放大器失真很低，工作原理跟以上完全不同，效率很高 显而易见，d 类放大器的优点十分突出。 5 3 d 类放大器的近期发展趋势 其实，d 类放大器最初是有很多不足之处的，当初诞生时，根本没有办法跟线性放大 器相比，可是经过设计者们的不断努力优化、不断的改进之后，d 类放大器的春天才算真 的到来了。 3.1 d 类放大器的历史 d 类放大器首次提出于 1958 年，在过去的几代产品中，已经得到了巨大的发展，被 极大地改善了其系统的耐用性，并提高了音频质量，与传统的 ab 类功放相比，d 类放大 器拥有几个显著优点：1. 具有很高的效率，通常能够达到 85%以上。2. 体积小，可以比 模拟的放大电路节省很大的空间。3. 低失真，外围元器件少，便于设计调试。因此 d 类 放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式，所以本文主要讨论的也是音频 d 类放大 器。 3.2 音频 d 类放大器的发展要求 d 类放大器的效率很高，20 瓦以下基本不用散热器，降低了对电源输出功率的要求。 所以它在音频放大器家族中很有潜力。然而，与传统的 a/b 类放大器相比，它们本身也 存在固有的成本、性能和电磁干扰（electromagnetic interference）方面的问题。音 频 d 类放大器的发展趋势就是要解决这些问题，主要包括： 3.2.1 降低系统成本 为了将 d 类放大器的成本降到最低，一般在功率放大级采用半桥放大拓扑结构，以 达到降低复杂性和减少物料成本的目的。因为半桥结构输出大约是全桥的一半，功率管 和外部滤波器件的数量也就减少一半。然而，半桥放大器在输出端也需要一个隔直电容， 而且它对供电干线上的噪声也很敏感。在启动时，隔直流电容必须先被充电到偏置点 （高压供电干线电压的一半） ，否则就会在扬声器中产生很大的“噗”声（开机冲击声） 。 因此最新的 d 类放大器采用预充电电容使扬声器在启动时保持无声。 3.2.2 降低电磁干扰 在 d 类调制器中，通过将音频信号与高频固定频率信号进行比较，将比较的结果在 固定频率的载波上进行调制，将数字音频信号转换成 pwm 信号。形成的信号频率是可变 脉宽的固定载波频率（通常在几百 khz） ，然后由高压功率 mosfet 对这些 pwm 信号进行放 大，放大后的 pwm 信号再通过低通滤波器去掉载频，恢复出原始基带音频信号。但是这 种结构会导致大量的电磁辐射。由于调制器采用固定频率载波，因此将产生基载波的多 次谐波辐射。而且，由于 pwm 信号自身的开关特性，过冲/下冲和振铃将产生固定比率的 高频（10-100 兆赫兹）辐射。为了降低辐射， pwm 调制器的发展趋势是采用扩展频谱调 制技术。扩展频谱的原理是：数据基带信号的频谱被扩展至几倍几十倍再被搬移至射 频发射出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性。 由于单位频带内的功率降低，因此对其它电子设备的干扰也减小了。 6 3.2.3 改善音频质量 作为音频功放来说，提高音频质量是永远的课题，所以要想稳定占有市场，d 类放大 器就必须不断改进其音频性能。目前，d 类放大器的一个噪声源是音频采样时钟的抖动。 而时钟通常是由 soc（mpeg 解码器和 dsp 等）产生的，即使很小的抖动也能迅速地影响 到常规 d 类放大器的性能，因为音频时钟是与调制器的输出时钟关联的。 解决这个问题的一个方法是采用 src（sample rate convertor 采样率转换器）技术。 因为 src 使用本地稳定的时钟源来同步数字音频的时钟，比方说石英晶体振荡器，所以 调制器的输出抖动实际上与其他音频时钟是独立的、不相关的。src 的另一个优点是无论 输入音频的采样率如何波动，其输出开关比率都是固定的。当音频输入源改变或输入时 钟缺失时，src 也通过消除可听见的噪声而改善了系统的耐用性。 4 音频 d 类放大器的设计与实现 4.1 d 类放大器的基本结构 d 类放大器将输入模拟音频信号或 pcm 数字信息变换成 pwm(脉冲宽度调制)的脉冲信 号,然后用 pwm 脉冲信号去控制大功率开关器件通/断.放大器由输入信号处理电路、开关 信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式) 和低通滤波器(lc)等四部分组成。图 4.1 给出了 d 类放大器的原理简图。 图 4.1 d 类放大器原理简图 7 4.2 pwm（脉宽调制）原理 图6-6 uruc u o t o t uouof uo ud -ud 图 4.2 脉宽调制示意图 脉宽调制器由三角波发生电路和比较器两部分组成，其工作过程可由上图表示：即 通过比较器实现三角波对正弦波的脉宽调制，获得脉宽与输入信号幅度成正比的调制信 号。图 4.2 是 pwm 调制的示意图 4.3 三角波发生电路 84 7 5 6 2 u1b ne5532ap +15v 1 2 3 4 5 6 7 8 u2 lm311n +5v gnd 220pf cbbcf 6.8k rt3 10k rwt 43k rt4 68k rt5 5.1k rt6 +5v +5v gnd 三三三 10k rt1 10k rt2 1uf ct1 gnd gnd 0.1uf ct2 gnd +5v 图 4.3 三角波发生电路（中）以及 pwm 调制电路（右） 8 要实现脉宽调制需要三角波发生电路，本设计采用 ne5532 和高速精密电压比较器 lm311。ne5532 的较宽频带和高速转换速率（摆率） ，能够保证产生线性良好的三角波。 选定载波频率要考虑抽样定理，同时还要考虑电路实现，本设计选择 150khz 的载波，使 用四阶 butterworth lc 滤波器，输出端对载频的衰减大于 60db。 计算电路参数：把 ne5532 的 5 脚和 lm311 的 3 脚电位通过 rt1 和 rt2 的分压设为 2.5v，同时设输出对称三角波幅度 1.5v。选定 rt5 为 68k，并忽略比较器高电平时在 rt6 上的压降，求解 rt4： 4 5.1 68 5.25 t r 得 krt 8 . 40 5 . 2 5 . 168 4 取 rt4=43 k。 工作频率的确定：要从两方面着手：第一，作为载波的三角波工作频率越高越有利 于提高调制信号中的基波分量，而调制信号中基波分量的多少直接影响着功放效率；第 二，器件电平转换有时延，很高频率的三角波也是难做到的。综合考虑以上两点，我们 选定工作频率 f=150khz,并设定 rwt+rt3=15 k,则电容 c3 计算过程如下： 对电容的恒流充电或放电电流为 33 5 . 25 . 25 twttwt rrrr i 则电容两端电压值为 1 34 0 )( 5 . 211 t rrc dti c v twt t f cf 其中： t1=t/2=1/2f。的最大值为 3v，代入可得 cf v pf frr c twt f 2 .185 6*)( 5 . 2 3 取 rt3=6.8 k,cf=220pf， rwt 选用 200 k 可调变阻器。便于调节发生三角波的频率 为 150khz。 4.4 比较器 选用精密、高速比较器 lm311（图 4.4） ，在单电源供电的情况下，由阻值相同的电 阻 rp1 和 rp2,rp3 和 rp4 分压提供 2.5v 的静态电位，取 rp1=rp2=68k，rp3=rp4=68k。由于三角波幅度为 1.5v，要使功放不产生失真，音频 信号的幅度也不能大于 1.5v， 。 9 1 2 3 4 5 6 7 8 u3 lm311n gnd +5v 1k rp5 +5v 22uf cp2 68k rp1 68k rp2 +5v gnd 68k rp3 68k rp4 +5v gnd 三 三 三 三 三 pwm 0.1uf cp1 0.1uf cp3 gnd +5v 图 4.4 pwm 调制电路 4.5 驱动方式： 利用 74hc14（反向器集成芯片）即可实现 pwm 信号的反向，互补的两路信号分别驱 动两个推挽结构，输出两路驱动信号分别是 pw1 和 pw2，送往开关功率管进行开关控制。 将反向器并联使用可以提供较大驱动电流。 qp2 8050d qn2 8550d +5v gnd 12 u4a mm74hc14n 34 u4b mm74hc14n 56 u4c mm74hc14n 98 u4d mm74hc14n 1110 u4e mm74hc14n 1312 u4f mm74hc14n pwmpwm qp1 8050d qn1 8550d +5v gnd pwm1pwm2 图 4.5 驱动电路 4.6 btl 桥接负载 d 类放大器有很多会使用全桥输出级。一个全桥使用两个半桥输出级，并以差分方 式驱动负载。这种负载连接方式通常称为桥接负载(bridge-tied-load)。全桥结构是通过 转换负载的导通路径来工作的。因此负载电流可以双向流动，无需负电源或隔直电容。 图 4.6 展示了传统的、基于 pwm 的 btl 型 d 类放大器输出波形。在图 4.6 中，各输出 10 波形彼此互补，从而在负载两端产生一个差分 pwm 信号。与半桥式拓扑类似，输出端需 要一个外部 lc 滤波器，用于提取低频音频信号并防直在负载上耗散高频能量。 全桥式 d 类放大器除具有与 ab 类 btl 放大器相同的优点外，还具有高效特性。 全桥式放大器还有一个优点是，采用单电源供电时输出端不需要隔直电容。半桥式放大 器则不然，因为它的输出会在vdd与地之间摆动，空闲时占空比为 50%。这表明它的输出 具有大概 vdd/2的直流偏移。 ，这个偏移在全桥式放大器中会出现在负载的两侧，输出端 的直流电流为零。全桥放大器的另一个优点是，在相同的电源电压下，它的输出信号摆 幅是半桥式放大器的 2 倍，因为负载是差分驱动的。在相同电源电压下，它可提供的最 大输出功率理论上可以达到半桥式放大器的4倍。然而，全桥式 d 类放大器所需的 mosfet 开关个数也是半桥式拓扑的2倍。虽然我们一般认为更多的开关会产生更多的传 导和开关损耗，但是这仅对于大功率输出的放大器( 10w)是正确的，因为它们需要更高 的输出电流和电源电压。半桥式放大器凭借在这一点上的效率优势，常常在大功率应用 中被采用，可是d类放大器的主要应用都集中在低功耗的产品上，所以全桥式的拓扑才是 d类功放的首选。 全桥式放大器对于mosfet的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。可采用 irf540和irf9540 mos管，它们的参数基本满足上述要求。互补pwm开关驱动信号交替开 启q1g和q4g或q2g和q3g,再分别经过滤波器滤波后输出功率放大信号。其中r1和r2的作用 是加大电路中的阻尼，防止导线的等效电感与栅极电容发生振荡。r1和r2的具体选择是 通过实验比较的方法完成的，实验测试数据如下： rg的选择测试数据（r11k,r2=5.1k，测试点为栅极） rg（欧） 栅极上升时间（us） 栅极下降时间（us） 100 1.2 1.4 39.2 0.5 0.4 10 0.2 0.15 rg选取10欧。频率越高rg越小，电容越大rg越小。 r1 10 r1 10 r2 q1g irf9540 q2g irf9540 q3g irf540 q4g irf540 20uh l1g 30uh l2g 1ufc1g0.47ufc2g 20uh l3g 30uh l4g 0.47ufc4g1ufc3g 8三 rlg +5v+5v gndgnd pwm1pwm2 图 4.6 全桥式电路以及 lc 滤波器 11 4.7 低通滤波器 采用四阶butterworth低通滤波器（图4.6）。对低通滤波器的要求是上限频率应大 于20khz,在通频带内特性平坦。 利用multisim软件进行了仿真，设定的器件参数与图中相同时，仿真结果如图所示： 通带内较为平坦，保证了20khz的上限频率；100khz、150khz处分别下降26db、40db。 图 4.7 仿真结果 4.8 以 tpa3122 芯片为核心的 d 类功放电路实现 本系统以ti的高性能d类功放tpa3122为核心。芯片是从ti申请的。我们有一对书桌 小音箱，功率为10瓦，有低音高音单元。明显lm386无法满足要求，且音质一般。而d类 功放以其高效性及小占地面积而在如今的小型数码设备及平板电视中应用广泛。因此想 一试效果。ti的tpa3122功率15w2,低失真 （thd=0.06%,rl=8ohm。thd=0.1%,rl=4ohm），成为首选器件。 d类功放推动管工作在开关状态，而利用导通电阻极小的mos开关管可进一步提高 效率。芯片中包含一个可产生三角波的振荡器，然后是将输入信号与此三角波经一电压 比较器产生pwm波控制开关管开断，然后经过低通滤波器推动扬声器。 电源电路：电源电路： 12 本电路使用两片7815提高电源响应速度，加入多个大容量电容滤波。变压器功率 40w，（偏小，为降低成本）。 功放电路：功放电路： 其中输入端加一双联电位器20k，gadin0及gain1加跳线帽选接gnd或通过一10k电阻 到vcc，sd及mute control接法同上。电容选用cbb，独石电容。滤波选用优质电解。滤 波电路不变。电感选用黄环缠。 元器件明细表：元器件明细表： 元器件名称参数备注 c10.68ufcbb c20.68ufcbb 13 c31uf 独石 c41ufcbb c51ufcbb c61ufcbb c70.22uf 独石 c80.22uf 独石 r110k 贴片 r210k 贴片 r310k 贴片 r410k 贴片 l122uh 黄环 l222uh 黄环 功放图片功放图片 功放正面 14 电源正面 功放反面 15 电源反面 5 音频 d 类放大器设计需要注意的问题 通过对 d 类放大器的具体设计以及对市场的反溃调查，我们就会发现其很多方面的 问题，本文经过整理，将问题汇总如下： 5.1 输出晶体管尺寸选择 为了在较宽信号调理范围内降低功耗，保证在传导大的漏源电流（ids）时漏源电压 （vds）很小，要求输出晶体管的导通电阻很小（0.10.2） 。故这要求大晶体管具 有很大的栅极电容（cg） 。开关电容栅极驱动电路的功耗为2cvf， “c”是电容， “v”是充 电期间的电压变化，f 是开关频率。可见这里的开关损耗与电容和频率成正比。因此，晶 体管尺寸的选择是传导期间将 ids vds 损失降至最小与将开关损耗降至最小之间的一 个折衷。在高输出功率情况下，功耗和效率主要由传导损耗决定，而在低输出功率情况 下，功耗主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其器件的 roncg 减至最小以 减少开关应用中的总功耗，从而提供开关频率选择上的灵活性。 5.2 输出级保护 输出级遇到的问题也有很多，如果得不到解决的话，会给电路带来很多危害，比如 欠压：大多数开关输出级电路只有当正电源电压足够高时才能正常工作。如果电源电压 太低，出现欠压情况，就会出现问题。这个问题可以通过增加电压判定电路来解决，只 16 有当电源电压大于欠压阈值时才允许输出级工作。 另外，还有散热问题：虽然 d 类放大器的效率很高，但如果长时间工作的话，产生的 热量仍然会影响输出晶体管正常工作，在简单的保护方案中，可以增加监视温度的控制 电路。 ，当通过一个片内传感器测量的温度超过热关断安全阈值时，输出级关断，并且一 直保持到冷却下来。除了简单的有关温度是否已经超过关断阈值的二进制指示以外，传 感器还可提供其它的温度信息。通过测量温度，控制电路可逐渐减小音量水平，减少功 耗并且很好地将温度保持在限定值范围内，而不是在热关断期间强制不发出声音。 不仅如此，输出晶体管电流过大也大有危害：如果扬声器端和输出级连接正确，则 输出晶体管会呈现低导通电阻状态不会出现问题，但如果这些结点错与另一个点或电源 短路，产生的电流会很大。如果不经核查，这个电流会破坏晶体管或外围电路。因此， 需要电流检测输出晶体管保护电路。在简单保护方案中，如果输出电流超过安全阈值， 输出级关断。在比较复杂的方案中，电流传感器输出反馈到放大器中，试图限制输出电 流到一个最大安全水平，同时允许放大器连续工作而无须关断。在这个方案中，如果限 流保护无效，最后的手段是强制关断。有效的限流器还可在由于扬声器共振出现暂时的 大瞬态电流时保持放大器安全工作。 5.3 信噪比（snr） 由于音频 d 类放大器一般用于便携式产品，所以功耗不会太大，因此 snr 通常应当 超过 90 db，这个要求似乎很容易达到，但是有一点需要注意，实际上音频 d 类放大器在 设计期间必须跟踪具体的噪声源才能保证达到满意的总体 snr（signal to noise ratio） 5.4 失真原因 失真原因包括调制技术或调制器实现中的非线性，以及为了解决冲击电流问题输出 级所采用的死区时间。在 d 类调制器输出脉宽中通常对包含音频信号幅度的信息进行编 码。用于防止输出级冲击电流附加的死区时间会引入非线性时序误差，它在扬声器产生 的失真与相对于理想脉冲宽度的时序误差成正比。用于避免冲击最短的死区时间对于将 失真减至最小经常是最有利的。另外，输出脉冲上升时间和下降时间的不匹配、输出晶 体管栅极驱动电路时序特性的不匹配、以及 lc 低通滤波器元器件的非线性也是音频 d 类 放大器的失真源。 5.5 电源抑制 放大器电源线上的噪声会对输出信号造成影响，因此必须适当地“抑制”噪声。电 源抑制比（power supply rejection ratio）从输入到输出的增益除以从电源到输出 的增益）是一个测量放大器抑制这种偏差程度的 重要参数） 。在低功耗的 d 类放大器 电路中，电源噪声几乎直接耦合到输出扬声器，具有很小的抑制作用。发生这种情况是 因为输出级晶体管通过一个非常低的电阻将电源连接到低通滤波器。我们知道，低通滤 波器的作用是来抑制高频噪声的，但它会让所有的音频频率通过，其中包括音频噪声。 如果不解决失真问题和电源问题，就很难达到电源抑制优于10 db，或总谐波失真 （thd）优于0.1%。解决这些问题的办法是：使用具有高环路增益的反馈。lc 滤波器输入 17 的反馈会大大提高电源抑制并且衰减所有非 lc 滤波器的失真源。lc 滤波器非线性可通过 在反馈环路中包括的扬声器进行衰减。闭环 d 类放大器如果经过精心设计，可以达到电 源抑制大于60 db 和总谐波失真小于0.01%的较高音质。加入反馈固然有诸多好处，但也 增加了设计的复杂程度。d 类放大器为了将 ic 成本减至最低，可以尽量缩减其模拟电路 成分。然后检测电源变化的功能可以用一个数字开环调制器和一个 a/d 转换器来替代， 这样可以改善电源抑制。对于音质要求宽松的应用，可通过这些开环 d 类放大器进行处 理，但如果要达到更好的音质要求，有些形式的反馈就是必需的了。 5.6 lc 滤波器的选择 d 类放大器的主要成本缺点是 lc 滤波器。lc 滤波器装置中的电感器，占用 pcb（印 制电路板）面积并且增加成本。在大功率放大器中，d 类放大器的总体系统成本仍具有竞 争力，因为在散热装置节省的大量成本可以抵消 lc 滤波器的成本。但是在低成本、低功 耗应用中，电感器的成本很高。在极个别情况下，例如，用于蜂窝电话的低成本放大器， 放大器 ic 的成本可能比 lc 滤波器的总成本还要低。即使是忽略成本方面的考虑，lc 滤 波器占用的 pcb（printed circuit board）面积也是小型应用中的一个问题。 为了满足这些考虑，有时会完全取消 lc 滤波器，以采用无滤波放大器设计。这样可 节省成本和 pcb 面积，虽然失去了低通滤波器的好处。如果没有滤波器，emi 和高频功耗 的增加将会不可接受，除非扬声器采用电感式并且非常靠近放大器，电流环路面积最小， 而且功率水平保持很低。尽管这种设计在便携式应用中经常采用，例如，蜂窝电话，但 不适合大功率系统，例如，家庭音响。 另一种方法是将每个音频通道所需要的 lc 滤波器元器件数减至最少。这可以通过使 用单端半桥输出级实现，它需要的电感器和电容器数量是差分全桥电路的一半。但如果 半桥输出级需要双极性电源，那么与产生负电源相关的成本可能就会过高，除非负电源 已经有一些其它目的，或放大器有足够多的音频通道，以分摊负电源成本。另外，半桥 也可从单电源供电，但这样会降低输出功率并且经常需要使用一个大的隔直流电容器。 5.7 实验中遇到的问题 1、功放电路在测试时发现电源电压低于 9v 时完全无声，说明 d 类功放有一个非常 明确的阀值电压。 2、d 类功放的频率响应较线性功放差，但低频响应还好。听了一段时间 d 类功放的 声音后再听线性功放的声音时明显感觉声音刺耳。 3、sd 及 mute control，sd 需要接低电平而 mute control 需要接高电平功放才能开 启。 4、黄环缠出的电感频率响应并不好，功放工作一段时间后就会发热，温度比芯片高。 6 总结 6.1 工作的总结、回顾 d 类放大器应用于音频功放领域的现状以及前景都是非常乐观的，它不仅具有 ab 类放大器的良好线性和最小电路板空间的优点，更具有高效率的优势（理论上可达 100%） 。 尤其在现在的电子市场上，生产厂家为了满足各种各样的便携式应用，已经给我们提供 18 了许多不同种类的音频 d 类放大器。大大的满足了低功耗便携式应用如手机、mp3、对讲 机和笔记本电脑等等对电池寿命、电路板空间以及 emi 兼容性的苛刻要求；大功率应用 如车载音响系统和平板显示器上也有 d 类功放的一席之地，因为最大限度降低散热需求 和发热量在这类应用中必不可少。总之，d 类放大器