D类音频功率放大器设计报告

1、D类功率放大器摘要衡量一套音响设备的主要性能一是它的频率特性指标，包括 频率响应、谐波失真度和互调失真度；二是它的时间特性指标，包括 瞬态响应、瞬态互调失真和阻尼系数；三是信号噪声比、最大输出动 态范围、最大功率和效率 （ 尤其第三方面的性能指标主要由功率放大 器实现，传统的功率放大器主要有 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，理想情况下其效率为 50%，考虑到晶体管的饱 和压降及穿透电流造成的损耗， A 类功率放大器的最高效率仅为 45%左

2、右。 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 45%，它的优点是效率理想情况下可达78.5%，但缺点会产生交越失真，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， 使每个功率器件的导通时间在 50%100%（此类放大器目前最为流行， 它兼顾了效率和失真两方面的性能指标，在设计该功率放大器时要设 置功率晶体管的静态偏置电路，使其工作在甲乙类状态 （ 随着半导体 及微电子制造技术的不断发展，高速、大功率器件已越来越多，人们 对音频功率放大器的要求更加趋向高效、节能和小型化，所以D 类（丁类）音频功率放大器越来越受到人们的重视 此类放大器的功率 器件受一高频脉宽调制（P

3、WM脉冲信号的控制，使其工作在开关状 态，理论上其效率可达 100%。其不足之处会产生高频干扰及噪声，但 若精心设计低通滤波器及合理选择元件参数，其音质效果完全能与 AB 类线性功率放大器相比拟。D类开关音频功率放大器的工作基于 PWM模式：将音频信号与采样 频率比较，经过自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变 化的PWM波，然后经过驱动电路，加到功率 MOS的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的 PWM言号送入滤波器，则还原为音频 信号。D类功率放大器的原理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永冲

4、信号，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 器带动扬声器发声。当输入 PCM数字信号时，数字信号经 PCM-PW转 换器，转变成为 PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工 作，然后经低通功率滤波器带动扬声器工作。音频PWM编码可以从两种途径获得，一是对模拟音频信号进行模 数变换直接生成PWM数字音频；二是对其他编码的数字音频，如 CD的 PCM编码，通过数字信号处理技术变换成 PWMt频编码。CD和DVD碟 片上输出的音频信号是数字化的，若采用普通的模拟功放机进行放 大，则播放机进行解码后再经过数模变换，变成模拟音频后再送到功 放电路中。而采用数字功放（D类音频功

5、放）后，就可把解码后的PCM数 字音频信号直接进入数字信号处理电路处理成PWM码进行放大，省去了播放机中的数模变换和数字功放中的模数变换二个较贵重部分，这 样不但音质受损少，成本也可降低。D类功率放大器的电路工作方式为开关状态，其原理方块图如图图1： D类音频功率放大器原理方块图图2 :将正弦波变为脉冲波的脉宽调制电路从图1的结构可知，两个放大器反相连接，实际上构成推挽状 态，起到开关的作用去控制与电源串联的负载回路（RL）,低通滤波器LPF可以滤去脉冲波的高频部分，得到基波成分，所以实际上成为 数/模（D/A）转换电路，重新将脉冲波还原成为弦波。从电路结构 看，当两支形状短路阻抗为0,开路阻

6、抗无穷大时，电路的效率为100%因为扬声器是感性负载，对于高电感的扬声器如中频扬声器，D类功放可以不用接低通滤波器，直接与扬声器相联。图2表示如何将正弦波转化为脉冲波，让脉冲波的宽度受正 弦波幅度的调制，称为 PWM言号，即“脉宽调制”信号。这里没有应 用一般概念的A/D变换电路，而是用一个幅度与放大的正弦信号近似 的三角波，共同作为变换器输入，相当于反相比较器。当三角波幅度 大于正弦波幅度部分，变换电路输出“ 1”；而三角波幅小于正弦波幅 时，变换电路均输出“ 0”；这样即将输入的正弦信号变为宽度随正弦 信号波幅度变化的PWM波。D类功率放大器使用的开关管采用功率型 MOSFET即大功率场效

7、 应管，并为保证足够的激励电压而设有驱动电路，使 FET能充分的开 启和关断，其电路结构如图3。图4是PWM的频谱，当放大单一的频率正弦波时，其频谱中除 低频段存在与输入信号相同频率的基波成分外，还存在各次谐波的频 谱。因此用LPF低通滤波器就可以滤去高频谐波而得到正弦基波成 分，因此，可使数模转换电路非常的简化。由上可知D类功率放大器效率高，发热损耗小，可以降低电源容 量，减小体积和自身散热器的体积。D类放大器的设计当前的电子器件倾向于便携和小的尺寸，音频功率放大器采用了 D 类技术，D类功率放大器由于它的高效率，理论上可以达到100%而受到关注。D类放大器的输出级是CMO的功率晶体管组成，

8、提供扬声器负 载需要的大量的电流，这些晶体管工作在或者是截止状态，或者是线 形区，而不是饱和区，由于晶体管只是工作在周期间的一小部分是激 活的，减小了开关的导通损耗。高的效率也因此成为可能，效率受类输出级的晶体管的导通电阻（Ron影响。1. 前置放大电路 前置功率放大器的目的在于对输入功率放大器的各种信号进行加 工处理，使其能和功率放大器的输入灵敏度相匹配。简单的前置放大 器它由外接输入耦合电容Cin确定放大器增益的输入电阻Rin级反馈电 阻Rf及内部提供的共模电压VC组成。这部分与一般的单电源前置放大 器不同之处在于其共模电压不是1/2Vcc。由Cin及Rin决定了高通滤波 器-3dB截止频

9、率 f-3dB , f-3dB 与 Rin , Cin 的关系为：f-3dB=1/2 n Cin*Rin ;放大器增益AVD与 Rin及Rf的关系为：AVD二-Rf/Rin。图5为采用差分输入方式的前置放大器的结构，音频信号U1由左端输入，经过阻直电容输入结形场效应管的栅极。结形场效应管采用 3DJ4F,运算放大器采用低噪声，高速器件 NE5532电阻，电容选用高 精度，高稳定度及高质量的元件。经实际测试其技术指标为：输出噪 声电压小于25卩V;频带宽度50-50000HZ；谐波失真小于0.02%;转换 速率大于10卩s/V。2. 三角波产生电路本电路设计所采用的三角波发生器如图6，通过使用一

10、种定时器电 路（ICM7555来实现。ICM7555在最高达1.0MHZ勺可变频率范围上产 生一个12Vp-p方波，然后通过集成电路变换成为三角波输出。该电路图6:三角波产生电路3. 脉冲调制电路对于脉冲调制电路其实质就是一个电压比较器。我采用高精密， 高速度比较器LM111LM11是一种新型的电压比较器。它与其他的电压比较器不同之处 在于：其一，该器件的输入误差电流很小，故可应用在高阻抗电路 中；其二，应用灵活，它不但能驱动 DTL TTL逻辑电路，而且还能与 M0逻辑开关和FET模拟开关接口；其三，它能由单5V电源供电去驱动 DTL或 TTL电路这就使得电路电源得以简化。该器件中主要使用了

11、输入 端的PN晶体管的缓冲而获得较低的输入电流。输出端 V11为输出管， 由于该电压比较器的输出端与地端均与电路中其余点隔离，这就使得 输出方式变的极为灵活，既可以由输出端直接输出，亦可以从地端串 入负载输出。当V-端与地端相连时电路即可实现单电源供电。脉冲调制器的具体电路结构如图7所示。由前置放大器输出的音频信号送入比较器的同相端，由三角波产 生电路生成的锯齿波送入比较器的反相端，供电电压为 5V勺单电源， 为给v+=V提供符合要求的静态电位，取 R12=R15 R13二R14 4个电阻 均取10KQ。R16勾成负反馈电路。输入的两个信号经比较器比较之 后，输出与音频信号成正比的脉宽调制信号

12、。图7:脉冲调制电路结构4. 驱动控制电路如前所述，驱动控制电路应具备4个方面的要求，一是将PW信号 进行整形；二是将PW信号转换成相位相反的两种信号；三是要在两种 相位相反的信号之间存在一定的死区时间；四是应具备保护功能。根 据以上要求，做出电路如图8所示。该电路采用5V电源供电，所有逻辑 器件均采用CMO集成器件，当过流保护信号为高电平“ 1”时，驱动电 路正常工作，R C决定死区时间；当过流保护信号为低电平“ 0”时， 驱动电路无脉冲输出。U?AU?AU?ApF5. 功率输出电路功率输出电路我们采用H桥式功率放大电路，H桥式功率放大器电 路的任务是把PW信号中的调制信号解调出来，即开关式

13、功放就是一逆 变器电路。对逆变电路的设计首先要选择开关频率高，导通电阻小的 场效应管；其次应采用H桥式逆变器电路，目的是使输出电压摆幅可以 升高到接近于两倍的电源电压，增大功率放大器的最大不失真输出功 率。具体的功率输出电路结构如图9所示。整个放大器电路由四个输出 电容小，容易快速驱动的场效应管组成，在这里我们采用IRFD120（N沟道）和IRFD9120 （P沟道）组成。左面两的两个场效应管（上为 IRFD120,下面为IRFD9120）的栅极组成放大器的同相输入端，另外两 个场效应管（上为IRFD12Q下为IRFD9120）的栅极组成功率放大器的 反相输入段。一路信号由放大器的左端（两个场

14、效应管的栅极）输 入，另一路反相信号由放大器的右端（两个场效应管的栅极）输入； 输出则由两场效应管的漏极相连接组成。图9 :表功率输出电路的结构6. 滤波器电路由前面所述我们知道输出滤波器的功能就是将由功率输出电路送 来的信号中的基频和谐波（超咼频）信号滤除，仅留调制音频信号（模拟 信号）的部分,用以驱动扬声器。具体的电路结构如图 10所示。由图可知该滤波器由两个电感，电容和一个电阻组成。功率输出 器输出的信号送入该滤波器的左端的两个输入端，右端接扬声器发 声。当然对于高电感的扬声器可以省去该滤波电路，而直接接功率输 出电路的输出端。我们也可以采用四阶巴特沃斯低通滤波器（如图11所示）。滤波器

15、的左右两个端均接功率输出电路的输出端，在该滤波器中个元器件 的参数如图11所示。对滤波器的要求是上限频率20KHz在同频带 内特性基本平坦。L1/VW22uHL247uH丄C1I_1uFI:图10:输岀低通滤波器的结构0.68uFSPEAKERC2-L0.68lF22uH丄C4图11:四阶巴特沃斯低通滤波器7. 电平指示电路（音量显示电路）根据要求电平指示电路要采用 5端LED显示，故我们采用带放大器电平指示电路，具体的电路结构如图 12所示L 00* 611该电平指示电路可以认为是一个结果显示电路接在功率输出放大 器的输出端，功率放大器的输出信号由最左边的三极管的基极送入。 该电路由分立元件

16、组成，经倍压整流的音频电压达到0.5V，最右边的晶体管先导通，其集电极上的发光二极管点亮。随着输入信号的增 大，从右到左，发光二极管依次发光。我们也可以采用现成的集成电路来实现电平指示，图13就是采用集成电路LB1409驱动，可以做输出电平指示或录音电平指示。调节电 位器（10KQ ）可控制指示灵敏度，改变集成电路15角外接的4.7卩F电 容大小，可以改变闪灯的响应频率。2 70SP8. 供电电源电路音频功率放大器的供电问题，大都采用 50Hz交流电力网供给，然 而其内部的用电器件却都采用直流供电。显然，这就需要将电力网供 给的交流电转换为直流电，以按照各自用电器件规定的电压和电流供 给。这就

17、是我们将要介绍的音频功率放大器的供电电源。其内容涉及到供电电源类型及优缺点，设计时需考虑的问题以及抗干扰等。 由于整个系统即包括模拟电路，也有数字电路，为了减少相互干扰，故采用自带4路电源+5V, +5V, +12V, -12V，分别对各部分电路供78L1 2图14:音频放大器供电电源电路结构-5v电。D类音频功率放大器的整体电路结构及结论D类音频功率放大器的总体结构电路如下图所示L 220VC6411 N54 041 00 PF50K1 5557 M220 0F/2 5V0.1 uF0.1 Uf17878L1 2L05V222GNDVGNDGNDGNDOUTOUT330.1 uFu Fo1u

18、f+i2vV INOUT79L1 2OUT78L0 50.1 uf0.1 UF0F/2 5VVCC-5v1 UF10KC3HA5 225KR61 uFIP10K1 0KR41 0K R30.5u FC5 1 uFC61 uF-r C310K10K1 0Klb10KLM1 11710K1004pF1.5KR1 6L 250pFI 1 0uF0.6 84081Q1Rt5 00*6D12CP1 0* 63DG2 01Q240493DG2014081Q33DG2013GND U?A403 0U?A40810.2*544444Q53DG201Q43DG201U?At：冲40肖U?AD6由图中可以看到，该D类功率放大器包含供电电源电路，三角波产 生电路，前置放大电路，PW脉冲调制电路，驱动电路，H桥式功率放 大电路，5段LED电平显示电路，低通滤波电路。各个电路的功用和组 成已经在前面的章节中详细叙述了。该D类音频功率放大器的工作过程是：输入的音频信号先经过前置 功率放大器的筛选，送入PW1M大器的同相输入端，同时有555定时电 路生成的方波信号经HA522生成三角波信号送入PW放大器的反相输入 端；经驱动电路送入H桥式功率放大电路，送扬声器输出发出声音；5段LEDfe平显示电路的作用是根据音量的大小