D类功放电路介绍入门经典

1、的相位差)，可能引起电路自激，需采用复杂的相位补偿电路轴岀jvxtJVJLT比粒0的人三角険驱动功率管的调制信号为占空比随音频输入信号变化的方波，半桥驱动电路以相反的相位驱动两个功率管，一个导通时另 一个截止。采用方波驱动是为了使mosfet尽可能地改变工作状态，减少其处于线性放大区 的时间，从而减少热损耗，提高效率。该电路的效率主要取决于功率管的开关损耗和导通 损耗。输出滤波器将方波转变为放大的音频信号，推动扬声器发声。图2为全桥驱动d类功放的原理简图。全桥驱动电路中负载上的电压峰峰值两倍于电源电压，因而可用单电源 代替半桥驱动电路中的双电源供电。全桥驱动与半桥驱动电路工作原理相似，但采用了

2、四 个mosfet。反馈网络中的滤波电路也有所不同，该电路中负载采用浮动接法，需要两个低 通滤波器来消除载波。四个功率管两两成对工作，为防止短路，驱动电路在关断一对功率 管后过一段时间才开启另一对功率管。全桥中的功率管只需承受半桥中一半的电压，其导 通损耗比半桥电路要小，这是因为mosfet导通时的漏源电阻rds(on)与漏源电压bvdss不 成线性关系，串联的两个 mosfet总的rds(on)比bvdss增加一倍时单管的rds(on)小。电洗檢覊反憧音 WAo12V!IH3P44JXDA里渡检测电劇辭圏上全桥櫃动段功战电蹈简圏图2 全桥驱动d类功放电路简图功率管的选择需要考虑以下几点：峰值

3、工作电压、工作电流、开关速度、开关损耗、导通损耗。峰值工作电压和电流决定了 mosfet的规格，开关损耗、导通损耗及输出滤波损耗决定了输出级的效率。计算公式如下例如，要在8负载上获得100w输出，vp为40v, ip为5a,考虑到工作电压应留25% 的裕量，相应的 mosfet规格为50v/5a。选择内部包含一个具有较短反向恢复时间的二极 管的mosfet可减小开关损耗，目前较快的反向恢复时间约100ns。较低的工作频率、较小的栅一源电容及较高驱动能力的驱动电路都有助于减小开关损耗。工作频率过低会使输出 滤波器的设计变得困难，过高又会导致开关损耗增加并产生射频干扰及电磁干扰，因此选 择工作频率

4、时需要综合考虑。解决了开关损耗问题之后，d类开关放大器的效率主要取决于功率管的导通损耗，换言之，选用rds(on)较小的mosfet可提高放大器的效率。例如，mosfet的rds(on)为200mo，放大器效率比理想状态下降5%公式如下S=005Sn =2xrds(on)/zl=0.4/8=0.05式中因子2对应于全桥驱动电路。同样，当rds(on)为80m时，效率损失只有2%也就是说效率取决于器件的制 造工艺。图3所示为图2中反馈网络的电路，功率管输出信号经iclc处理成为反馈信号, 其幅值约为输出信号的1/11。音频输入信号经缓冲放大器iclb放大，与反馈信号一同送 至积分器icla，经处

5、理产生修正信号送图 3中驱动ic的比较器反相输入端，从而产生调 制输出。图3中还有另一路反馈取自电流采样电阻，驱动 ic据此对mosfet作过流保护。Hit馆号HIF妣昨旳比報曙全桥砸訪就反糧网络电賂全桥驱动d类功放反馈网络电路该放大器的输出采用了两个巴特沃斯滤波器为负载提供音 频驱动电流，巴特沃斯滤波器保证了全频段内的平滑频响，可使放大器具有良好的动态响应。图4中四结巴特沃斯滤波器的截止频率为 30khz,对250khz载波的衰减为74db,增加 阶数或降低截止频率可更有效地消除载波。巴特沃斯滤波器工作时要求负载为恒定值，而 扬声器在高频下将处于失控状态，因此扬声器两端并联了 rc滤波网络补

6、偿，以保证高频时电路的稳定图4 議止频率術呈二3的四盼巴持诀斯慕曲器3.92P-一-F丄图4截止频率为30khz的四阶巴特沃斯滤波器该放大器驱动4 3负载输出100w时，信号频率 8khz以下的失真(thd+n)不到1%如图5(a)所示，信号频率超过8khz时，放大器的非线性度增大，thd+n也随之增加，在12khz处达到最大(2.8%)，超过12khz，输出滤波器开始发挥作用，thd+n也随之下降。在通常工作的小功率情况下，失真状况有所改善，输出10w时全频带范围内的thd+n小于1.2%，如图5(b)所示O.QOIQCrtliikilft尊匕，IBti I BJI liaiEiiil IO

7、k 20k囹5帯囚阶菠玻器D类功放实宜曲统图5 带四阶滤波器d类功放失真曲线失真特性通过滤波器及反馈网络的选择加以修改，以适应不同场 合的要求。反馈网络选用高素质的运放、修改补偿电路、提高三角波的线性度这几项措施 均有助于降低失真和残余噪声。在实际应用中，输出滤波器与扬声器的阻抗相匹配可降低 放大器的闭环频响，改善放大器的失真特性。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

8、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。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

9、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， 用与Hi-Fi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

10、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。图1是D类功放的基本结构，可分为三个部分：图1 D类功放基本结构第一部分为调制器，最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号 加上一定直流偏置后放在运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的 负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低 电平。若音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的 1/2，则比较器输出的高低电平持续 的时间一样，输出就是一个占空比为 1： 1 的方波。当有音频信号输入时，正半周期间，比 较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大

11、于 1： 1；负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却 大为减少，方波占空比小于 1：1。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号 幅度调制后的波形， 称为 PW（MPulse Width Modulation 脉宽调制）或 PD（M Pulse Duration Modulation 脉冲持续时间调制）波形。音频信息被调制到脉冲波形中。 分页 第二部分就是D类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器， 把比较器输出的PWM 信号变成高电压、大电流的大功率 PWM&号。能够输出的最大功率有负载、电源电压和晶 体管允许流过的电

12、流来决定。第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单，只需要用一个低 通滤波器。但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用 LC低通滤波器。当占空比大于1:1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平 上升；窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致， 所以原音频信号被恢复出来，见图 2。图2 模拟D类功放工作原理D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。此时功放管的线性已没有太大意义， 更重要的开关响应和饱和压降。由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求 保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好

13、。另外，整机的效率全在于管子饱和压 降引起的管耗。所以，饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能得到简化。若干 年前，这种高频大功率管的价格昂贵，在一定程度上限制了D类功放的发展。现在小电流控制大电流的MOSFE已普遍运用于工业领域，特别是近年来 UHC MOSFE已在Hi-Fi功放 上应用，器件的障碍已经消除。调制电路也是D类功放的一个特殊环节。要把20KHZ以下的音频调制成PWMI号，三 角波的频率至少要达到200KHZ频率过低达到同样要求的 THD标准，对无源LC低通滤波 器的元件要求就高，结构复杂。频率高，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，THD小,而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器，造价相应 降低。但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件中的高频损耗、谢频的取 肤效应都会使整机效率下降。更高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高 于 1MHZ。同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号 与原信号不同而产生失真。所以要实现高保真，出现了很多与数字音响保真相同的考虑。还有一个与音质有很大关系的因数就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器