D类功率放大器

D类功率放大器

摘要：

本系统以高效率D类功率放大器为核心，通过将三角波与放大的音频信号相比较获得PWM脉宽调制信号，控制由MOSFET管构成的对称H桥结构进行功率放大，再通过Butterworth滤波器低通滤波后输出，系统还能够进行功率的测量于显示。经测试，功率放大器效率达到66%，系统总体比较理想的实现了设计指标的要求。

关键词：D类功率放大器、PWM脉宽调制、H桥电路，Butterworth低通滤波器

目录

1方案论证与选择__________________________________________________ 2

1.1高效率功率放大器类型的选择____________________________________ 2

1.1.1高效率功率放大器类型的选择_________________________________________ 2

1.1.2高速开关电路_______________________________________________________ 2

1)输出方式__________________________________________________________ 2

2)驱动方式__________________________________________________________ 3

1.1.3滤波器的选择_______________________________________________________ 4

2单元电路设计____________________________________________________ 5

2.1D类功率放大器电路 ___________________________________________ 5

2.1.1D类放大器的工作原理： _____________________________________________ 5

2.1.2三角波发生电路_____________________________________________________ 6

2.1.3比较器: ____________________________________________________________ 7

2.1.4音频信号前置放大器： ______________________________________________ 10

2.1.5开关放大电路：____________________________________________________ 10

1)驱动电路：_______________________________________________________ 10

2)H桥互补对称输出电路： ____________________________________________ 10

2.1.6低通滤波器：______________________________________________________ 11

2.2信号变换电路________________________________________________ 12

2.3功率测量及显示电路 __________________________________________ 12 3软件设计_______________________________________________________ 12 4系统测试及改进方案_____________________________________________ 12 5结论___________________________________________________________ 14参考文献___________________________________________________________ 14附录1 主要元器件清单 ______________________________错误！未定义书签。附录2 程序清单 ____________________________________错误！未定义书签。附录3 印制版图 ____________________________________错误！未定义书签。

附录4 系统使用说明 ________________________________错误！未定义书签。

1方案论证与选择

根据题目要求，本系统由功率放大部分和两部分组成，原理方框图如图

下面分别对各部分电路的设计方案进行论证与比较。

1.1高效率功率放大器

1.1.1高效率功率放大器类型的选择

方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这三类功率放大器的功率均达不到题目要求。

方案二：采用D类功率放大器。D类放大器利用脉宽调制技术，把模拟音频信号的幅度调制为一系列矩形脉冲的宽度，再通过功率输出管进行放大，最后经过LC低通滤波器后输出音频信号。输出功率管工作在开关状态，损耗小，效率高，理论上可以达到100%，实际电路也可以达到80%-90%。

比较后，选择D类功率放大器。

1.1.2高速开关电路

1)输出方式

方案一：采用推挽单端输出方式，如图所示，电路输出信号的峰-峰值不可能超过电源电压Vcc，输出功率难以提高。

方案二：选用H桥的输出方式（如图所示）。此方式浮动输出载波峰-峰值可达2Vcc，充分利用了电源电压，有效提高了输出效率，故选用这种电路形式。

2)驱动方式

方案一：通过三极管构成反向器电路，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PW1和PW2，送往开关功率管进行开关控制。使用推挽结构目的是在短时间内提供较大电流。实际中，对该电路进行了测试，发现两路PWM信号波形不互补对称，偏差较大，而未经反向的波形良好，反向后的高电平时间变窄约1.5us（为反相器上跳变响应延时），下跳变时间正常。不能满足控制需要。

方案二：利用反向器集成芯片74HC14实现PWM信号的反向，输出两路互补的驱动信号PW1和PW2，送往开关功率管进行开关控制。为提供较大驱动电流，将反向器并联使用，实际测试中测得信号的高低电平转换的延时时间约为500ns,且两路信号互补对称。

方案三：利用反向器集成芯片74HC14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PW1和PW2，送往开关功率管进行开关控制。为提供较大驱动电流，将反向器并联使用。方案三综合了前两个方案的优点，实际测试中效果良好，信号的高低电平转换的延时时间约为200ns,且两路信号互补对称。

比较后，选择方案三。

1.1.3滤波器的选择

方案一：利用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器，缺陷是负载上的高

频分量的电压没有得到充分衰减。

方案二：利用四个相同的二阶Butterworth 低通滤波器，在保证通频带的前提下使负载上的高频分量的电压获得较为充分的衰减。 比较后，选择方案二。

2 单元电路设计

2.1 D 类功率放大器电路

2.1.1 D 类放大器的工作原理：

原理框图如下，

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。

u O O u U -U

2.1.2 三角波发生电路

如图所示为三角波发生电路，该电路采用NE5532和高速精密电压比较器LM311来实现（电路如图所示）。NE5532具有较宽的频带和转换速率（摆率），能够保证产生线性良好的三角波。

载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路实现，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,能够满足题目的要求，所以我们选择载波频率为150kHz 。

电路参数的计算：我们把NE5532的5脚和LM311的3脚的电位通过Rt1和Rt2分压设定为2.5V ，同时设定输出的对称三角波幅度为1.5V 。若选定Rt5为

68k Ω，并忽略比较器高电平时在Rt6上的压降，则Rt4的求解过程如下：

得

取Rt4为43 k Ω

工作频率的确定主要从两个方面考虑，一方面，作为载波的三角波的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将直接影响着功率放大器的效率的高低；另一方面，考虑到器件电平转换的时延，较高频率的三角波也是较难做到的。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 Ω,则电容C3计算过程如下：

对电容的恒流充电或放电电流为

则电容两端电压值为

其中T1为半周期，T1=T/2=1/2f 。CF V 的最大值为3V ，则代入可得

取CF=220pF ，Rt3=6.8 k Ω, RWt 采用200 k Ω可调电位器。便于调节发生三角波的频率为150kHz 。

4

5

.168

5.25t R =-Ω=?=k R t 8.405.25

.16841

340)(5.211

T R R C dt I C V t Wt T F CF +==?3

35.25.25t Wt t Wt R R R R I +=+-=pF

f R R C t Wt F 2.1856*)(5.23=+=

2.1.3比较器:

选用精密、高速比较器LM311，电路如图所示，在单电源供电的情况下，由两两相等的电阻Rp1和Rp2,Rp3和Rp4分压提供 2.5V的静态电位，取Rp1=Rp2=68kΩ，Rp3=Rp4=68kΩ。由于三角波幅度为1.5V，所以音频信号的幅度不能大于1.5V，否则会使功放产生失真

正弦波电压及频率

三角波电压及频率

经LM311比较器后波形

经LM311比较器后波形

2.1.4音频信号前置放大器：

NE5532频带较宽、转换速率（摆率）较快，适合用于对音频信号的放大。输入电阻要求大于10 kΩ，故可取Ra1=Ra2=68 kΩ,则Ri=68/2=34 kΩ,电压增益通过反馈电阻调节，采用电位器RWa1,取RWa1=50 kΩ，那么银牌信号前置放大器的最大增益Av为

Av= RWa1/ Ra3=12.8

2.1.5开关放大电路：

电路实现如图所示，由驱动电路和H桥互补对称输出电路组成。

1)驱动电路：

具体实现见图，将PWM调制信号变换为互补对称的驱动信号PW1和PW3，将施密特触发器74HC14并联运用以获得较大的驱动电流，为保证快速驱动，再用晶体三极管对管组成的推挽结构构成输出管。选用HC系列主要考虑到其转换速度较高且可提供较大电流的特点，晶体三极管选用8050和8550对管。

2)H桥互补对称输出电路：

对于MOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。IRF540和IRF9540 MOS对管的参数基本满足上述要求，故采用之。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（R1＝1K,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的最佳值为5.6欧姆左右，R2的最佳值为3.5K左右。经测试电容C1=C3=1u，C2=C4=0.47u左右

2.1.6低通滤波器：

采用四阶Butterworth低通滤波器（如图）。对低通滤波器的要求是上限频率大于20kHz,在通频带内特性平坦。

我们利用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，满足要求。

2.2信号变换电路

2.3功率测量及显示电路

3软件设计

4系统测试及改进方案

4.1测试使用的仪器

测试使用的仪器设备如表4.1所示

表4.1 测试使用的仪器设备

4.2指标测试与测试结果

1）最大不失真功率及系统效率

负载：标称8欧喇叭

最大不失真电压为6.4Vp-p，此时

负载电压2.35V，电流0.15A，功率0.3525W。

电源电压4.96V，电流0.124A，功率0.615W。

效率为0.3525/0.615＝57.3％。

2）3dB通频带可达300Hz-20kHz

3）低频噪声电压的测量将输入端与地短接，测得负载噪声约为4mVp-p

4）电压放大倍数满足题目要求

4.3 测量结果分析及改进方案

1） 不加R1和R2时产生的波形失真较大，分析原因：主要原因在于功率开关管

的开关速度不能满足系统要求，由于栅极电容的存在，开关管的延时较为严重，所用开关管的栅极电容为1700pF，根据ΔQ=I*t=C*ΔU可以对电路的性能进行估算。可以换用开关性能更好的IRFD120 VMOSFET开关管，其栅极电容为360pF，开关速度快。

2）可以将电路中的两个NE5532换为TLC4502，TLC4502不仅可以具有较宽的频带，而且可以在较低电压下满幅输出，可以提高系统的性能。

5结论

本系统以高效率D类功率放大器为核心，利用PWM信号控制MOSFET构成的H桥电路进行功率放大，实现了除波形不失真最大输出功率以外的全部技术指标要求。

设计和调试过程中遇到了许多困难和问题，通过认真分析和实践验证获得较为理想的效果，这也让我们深刻体会到了团结协作的重要性，提高了解决实际问题的能力。

参考文献

1 全国大学生电子设计竞赛委员会。第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2001）。北京：北京理工大学出版社。2003年

2 谢嘉奎，宣月清，冯军。电子线路（线性部分）。北京：高等教育出版社，1999年

A类、B类、AB类、C类、D类五种功率放大器

1、A类功放（又称甲类功放） A类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。 A类功放的工作方式具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失真（Switching Distortion），即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是声音最理想的放大线路设计。但这种设计有利有弊，A 类功放放最大的缺点是效率低，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。当讯号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。 A类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。A类功率功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。所以A类机的体积和重量都比AB类大，这让制造成本增加，售价也较贵。一般而言，A类功放的售价约为同等功率AB类功放机的两倍或更多。 2、B类功放（乙类功放） B类功放放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。纯B类功放较少，因为在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。B类功放的效率平均约为75%，产生的热量较A类机低，容许使用较小的散热器。乙类功放通常的工作方式分为OCL和BTL，BTL可以提供更大的功率，目前绝大部分的功率集成电路都可以用两块组成BTL电路。 3、AB类功放

D类数字功率放大器

3.3 D类数字功放 D类功放也叫丁类功放，是指功放管处于开关工作状态的功率放大器。早先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A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。后来效率较高的B类功放得到广泛的应用，然而，虽然效率比A类功放提高很多，但实际效率仍只有50%左右，这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，如今效率极高的D类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视，并得到广泛的应用。 3.3.1 D类功放的特点与电路组成 1．D类功放的特点 （1）效率高。在理想情况下，D类功放的效率为100%（实际效率可达90%左右）。B类功放的效率为78.5%（实际效率约50%），A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。这是因为D类功放的放大元件是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。 （2）功率大。在D类功放中，功率管的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，输出功率可达数百瓦。 （3）失真低。D类功放因工作在开关状态，因而功放管的线性已没有太大意义。在D 类功放中，没有B类功放的交越失真，也不存在功率管放大区的线性问题，更无需电路的负反馈来改善线性，也不需要电路工作点的调试。 （4）体积小、重量轻。D类功放的管耗很小，小功率时的功放管无需加装体积庞大的散热片，大功率时所用的散热片也要比一般功放小得多。而且一般的D类功放现在都有多种专用的IC芯片，使得整个D类功放电路的结构很紧凑，外接元器件很少，成本也不高。 2．D类功放的组成与原理 D类功放的电路组成可以分为三个部分：PWM调制器、脉冲控制的大电流开关放大器、低通滤波器。电路结构组成如图3.22所示。

D类功率放大器

D类功率放大器设计报告 指导老师：王全洲 制作者：张满归 制作时间：2010-6-20

1 引言 一般认为，功率放大器根据其工作状态可分为5类。即A类、AB类、B 类、C类和D类。在音频功放领域中，C类功放是用于发射电路中，不能直接采用模拟信号输入，其余4种均可直接采用模拟音频信号输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。其中D类功放比较特殊，它只有两种状态，即通、断。因此，它不能直接放大模拟音频信号，而需要把模拟信号经“脉宽调制”变换后再放大。外行曾把此种具有“开关”方式的放大，称为“数字放大器”，事实上，这种放大器还不是真正意义的数字放大器，它仅仅使用PWM调制，即用采样器的脉宽来模拟信号幅度。这种放大器没有量化和PCM编码，信号是不可恢复的。传统D类的PWM调制，信号精度完全依赖于脉宽精度，大功率下的脉宽精度远远不能满足要求。因此必须研究真正意义的数字功放，即全（纯）数字功率放大器。 数字功放是新一代高保真的功放系统，它将数字信号进行功率转换后，通过滤波器直接转换为音频信号，没有任何模拟放大的功率转换过程。CD唱机（或DVD机）、DAT（数字录音机）、PCM（脉冲编码调制录音机）都可作为数字音源，用光纤和同轴电缆口直接输出到数字功放。此外，数字功放也具备模拟音频输入接口，可适应现有模拟音源。 国外对数字音频功率放大器领域进行了二三十年的研究。在20世纪60年代中期，日本研制出8bit的数字音频功率放大器；1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构。但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，若要实现16bit、44.1KHz采样的功率放大器。随着数字信号处理(DSP)和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。 国内外一些从事数字信号处理的技术人员，专门研究音频数字编码技术，在不损伤音频信号质量的情况下，尽量压缩数据库。经过多次实验，终于将末级功放开关频率由没有压缩数据时的约2.8GHz减至小于1MHz，从而降低了对开

D类功率放大器简介

D类数字功放简介 D类功放也叫丁类功放，是指功放管处于开关工作状态的功率放大器。早先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A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。后来效率较高的B类功放得到广泛的应用，然而，虽然效率比A类功放提高很多，但实际效率仍只有50%左右，这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，如今效率极高的D类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视，并得到广泛的应用。 一、D类功放的特点与电路组成 1．D类功放的特点 （1）效率高。在理想情况下，D类功放的效率为100%（实际效率可达90%左右）。B类功放的效率为78.5%（实际效率约50%），A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。这是因为D类功放的放大元件是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。 （2）功率大。在D类功放中，功率管的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，输出功率可达数百瓦。 （3）失真低。D类功放因工作在开关状态，因而功放管的线性已没有太大意义。在D 类功放中，没有B类功放的交越失真，也不存在功率管放大区的线性问题，更无需电路的负反馈来改善线性，也不需要电路工作点的调试。 （4）体积小、重量轻。D类功放的管耗很小，小功率时的功放管无需加装体积庞大的散热片，大功率时所用的散热片也要比一般功放小得多。而且一般的D类功放现在都有多种专用的IC芯片，使得整个D类功放电路的结构很紧凑，外接元器件很少，成本也不高。 2．D类功放的组成与原理 D类功放的电路组成可以分为三个部分：PWM调制器、脉冲控制的大电流开关放大器、低通滤波器。电路结构组成如图3.22所示。

11.D类功率放大器

D类功率放大器 一．原理 D类功放也称为数字功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。传统模拟放大器有甲类、乙类、甲乙类和丙类等。一般的小信号放大都是甲类 功放，即A类，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以，能量转换效率很低，理论效率最高才25%。乙类放大，也称B类放大不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效卒高达78 5%。但因为这样的放大，小信号时失真严重实际电路都要略加一点偏置，形成甲乙类功放，这么一来效率 也就随之下降。虽然高频发射电路中还有一种丙类，即C类放大，效率可以更高，但电路复杂、音质更差，音频放大中一般都不采用。这几种模拟放大电路 的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号的大小控 制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自 身也在消耗电能。 D类功放采用脉宽调制（PWM）原理设计，其功放管工作在开关状态。在理想情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗。它在实际的工作中的功率消耗 所示： 主要由两部分构成：转换损耗和I2R损耗。转换损耗如图1-1 当开关式放大器输出在接通和断开之间切换，或断开和接通之间切换时通 过线性区域而消耗功率。在D类功放中开关管如果采用的是金属氧化物半导体 场效应晶体管（MOSFET管），它的开关导通电阻较小一般远远小于1Ω，所以 I2R损耗相对来说还是很小的。当达到最大额定功率时，D类放大器的效率在80％到90％的范围内。在典型的听音条件下，效率也可达到65％到80％左右，约为AB类放大器的两倍以上。 D类放大器可分为数字D类放大器与模拟D类放大器两类，数字D类放 大器一般用于数字音响领域，如CD信号的功率放大。模拟D类放大器一般可分为前置放大级、PWM调制、功率放大与低通滤波四个部分。其中PWM调制和功率放大是D类放大器的核心，PWM调制的一般方案有： （1）采用PWM调制芯片产生PWM信号，此类芯片可方便的产生PWM 信号，但一般对电源有要求，不利于整机单5v供电，并且很多情况下产生的PWM型号为方波。 （2）自己搭建PWM调制器，采用运放进行比较积分产生PWM信号。

A、B、AB、D类音频功率放大器

D 类音频功率放大器（Class D Audio Power Amplifier）
B 类、 近二十年来电子学课本上所讨论的放大器偏压(Bias)分类不外乎 A 类、 C 类等放大电路，而讨论音频功率放大器仅强调 A 类、B 类、AB 类而却把 D 类 放大器给忘掉了，事实上 D 类放大器早在 1958 年已被提出(注一)，甚至还有 E 类、F 类、G 类、H 类及 S 类等(注二)，只是这些类型的电路与 D 类很接近，运
用机会低，所以也就很少被提及。
音频功率放大器最大目的在提供喇叭得到最大功率输出，而卫衍生与电源 所供给功率不对等的关系，即所谓功率放大器的效率(输出功率与输入功率之比) 如表一所示: 偏压分类 理想效率 A类 25% AB 类
介于 A 与 B 类之间
B类 78.5%
D类 100%
表一 各類功率放大器的效率比
随着轻、薄、短、小手持电子装置的发展，诸如手机、MP3、PDA、IPOD 及 LCD TV…数位家庭等，寻求一个省电的高效率音频功率放大器是必然的。因 此最近几年音频功率放大器由 AB 类功率放大器转以 D 类功率放大器为主流。 如 图 1 所示(注三)，在实际应用上 D 类放大效率可达 90%以上远超过效率 50%的 AB 类放大。所以 D 类放大的晶体管散热可大大的缩小，很适合应用于小型化的 电子产品。
圖 1
D 類 及 AB 類效率比

A 类放大器(又称甲类放大器)的特点是不论是否输入信号，其输出电路恒有电流流 通，而且这种放大器通常是在特性曲线的线性范围内操作 ，如图 2 所示，以求放大后的 信号不失真。所以它的优点，是失真度小，信号越小传真度越高，最大的缺点是“功率 效益”（Power Efficiency）低，最大只有 25%，不输入信号时丝毫不降低消耗功率， 极不适合做功率放大。但因其高传真度，部分高级音响器材仍采用 A 类放大器。
图1
图 2(a)、(b)皆属 A 类放大器，设计时让 VCE=1/2VCC，以求最大不失真范围。注意到 Vi 不输入时仍有 0.5VCC/RL 的电流流过晶体管， 所以晶体管需要良好的散热环境 。 由于 “共 集极”组态（图 2(a) Common Collector 组态又称“射极跟随器”）转移特性曲线较“共 射极”组态（图 2(b) Common Emitter 组态）有较佳的线性度（亦即失真较低）及较低 的输出组抗，因此，同属于 A 类放大器，射级随耦器却较常被当成输出级使用（“共射 级”组态较常被当成“驱动级”使用）。

D类功率放大器原理与应用技术进展要点

毕业设计 学生姓名李信学号170906016 院(系) 物理与电子电气工程学院 专业电子信息科学与技术 题目D类功率放大器原理与应用技术进展指导教师杨军副教授 2013 年 5 月

摘要：本文分析了D类放大器的基本电路结构，包括反馈对电路性能的改善，D类拓扑-半桥与全桥以及无滤波器调制器，研究了D类放大器的应用技术及其进展。D类放大器采用先进的调制技术，可使各种应用免去外部滤波器并降低电磁干扰。省掉外部滤波器不仅降低了电路板的空间要求，同时也大幅降低了很多便携式便携式应用的成本，因而有较好的市场应用前景。 关键词： D类放大器，D类音频功率放大器，大功率，D类发展前景 Abstract：The basic structure of the circuit of class D amplifier is analyzed in this paper, Including feedback on circuit performance improvement, Class D half-bridge and full-bridge topology - and no filter modulator, Application and progress of the class D amplifier. Advanced modulation technology is used by class D amplifier. can make various applications from external filter and reduce electromagnetic interference. Skip the external filter not only reduces board space requirements, but also greatly reduces the cost of many portable portable applications, so it has a good market prospect. Keywords：Class D amplifier, Class D audio power amplifier, high-power, D development prospects

D类功率放大器

D类功率放大器 摘要： 本系统以高效率D类功率放大器为核心，通过将三角波与放大的音频信号相比较获得PWM脉宽调制信号，控制由MOSFET管构成的对称H桥结构进行功率放大，再通过Butterworth滤波器低通滤波后输出，系统还能够进行功率的测量于显示。经测试，功率放大器效率达到66%，系统总体比较理想的实现了设计指标的要求。 关键词：D类功率放大器、PWM脉宽调制、H桥电路，Butterworth低通滤波器 目录 1方案论证与选择__________________________________________________ 2 1.1高效率功率放大器类型的选择____________________________________ 2 1.1.1高效率功率放大器类型的选择_________________________________________ 2 1.1.2高速开关电路_______________________________________________________ 2 1)输出方式__________________________________________________________ 2 2)驱动方式__________________________________________________________ 3 1.1.3滤波器的选择_______________________________________________________ 4 2单元电路设计____________________________________________________ 5 2.1D类功率放大器电路 ___________________________________________ 5 2.1.1D类放大器的工作原理： _____________________________________________ 5 2.1.2三角波发生电路_____________________________________________________ 6 2.1.3比较器: ____________________________________________________________ 7 2.1.4音频信号前置放大器： ______________________________________________ 10 2.1.5开关放大电路：____________________________________________________ 10 1)驱动电路：_______________________________________________________ 10 2)H桥互补对称输出电路： ____________________________________________ 10 2.1.6低通滤波器：______________________________________________________ 11 2.2信号变换电路________________________________________________ 12 2.3功率测量及显示电路 __________________________________________ 12 3软件设计_______________________________________________________ 12 4系统测试及改进方案_____________________________________________ 12 5结论___________________________________________________________ 14参考文献___________________________________________________________ 14附录1 主要元器件清单 ______________________________错误！未定义书签。附录2 程序清单 ____________________________________错误！未定义书签。附录3 印制版图 ____________________________________错误！未定义书签。

D类功率放大器

全遥控数字音量控制的D类功率放大器 福星电子网 提供单片机学习板，开发板，最小系统板；超声波测距实验应用板，各类器件仪表，详情请访问网站https://www.wendangku.net/doc/8f9717722.html,

引言 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。 单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。在许多基于单片机的应用系统中，系统需要实现遥控功能，而红外遥控则是被采用较多的一种方法。红外遥控是通过红外管发送红外遥控编码对其设备进行控制的,不同设备的遥控发送的红外遥控编码都是不同的。由于红外无线解决了有线连接的许多不便，因而受到了家电设备厂商、电脑外围设备商、以及通信设备厂商的高度重视。 如果将遥控技术、单片机与D类音频功率放大器结合起来，那么得到的产品将是非常前沿的。本次设计就是全遥控数字音量控制的D 类功率放大器。 1 功放的基本知识 1.1 功放的分类 传统的功率放大器主要有A 类(甲类) 、B 类(乙类) 和AB (甲乙类)，除此之外，还有工作在开关状态下的D类（丁类）功放。 1.2功放的工作原理及特点概述 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,其晶体管总是工作在放大区，并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性放大区域，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50 % ,因为其晶体管只在输入信号的正半周工作在放大区，在输入信号的负半周是截止的。它的优点是效率理想情况下可达78. 5 % ,比A类的提高了很多，其缺点是非线性失真却比甲类功放大，而且会产生交越失真,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

D类放大器

模拟类：D类功率放大器 一、课程设计要求 （一）设计任务 设计、制作一个对微弱信号有放大能力的D类低频功率放大器。 （二）基本要求 在输入音频信号电压幅度为10~100mV，在负载电阻R L=8Ω的条件下，放大通道应满足： 额定输出功率：P0=1W； 带宽：B W≧5KHz; 在上述P0 ,B W范围内，非线性失真≤%7； 在P0下的效率大于80%； （三）扩展要求 1、单电源供电； 2、增加输出功率； 3、增加带宽； 4、提高效率； 二、设计方案 1．功率放大器的种类 我们知道，功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类、丁类（即D类）和戊类等多种工作方式。为了提高功率和效率，一般的方法是降低三极管的静态工作点及由甲类到乙类，甚至到丙类。甲类、乙类、甲乙类的工作效率均低于%，丙类效率高于%，但丙类放大器只适用于高频窄带放大，而作为低频功放的D类放大器理想效率最高能到100%。 D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率，实际电路效率也可达到80％一95％。 2．D类功率放大器实现电路的选择

1)脉宽调制器(PWM) 利用三角波发生器及比较器分别采用通用集成电路，便于各部分分别实现，方便调试，且能与后面电路使用同一电源输出，实现题目所述要求。 2)音频信号放大电路 将音频信号放大后再与三角波经比较器比较后实现PWM调制。 3）驱动电路 将施密特触发器并联使用，以便获得更大电流驱动后续电路。 4）高速开关电路 ①输出方式：方案一：选用推挽单端输出方式(电路如图2所示)。电路输出载波峰峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率满足不了题目要求。 方案二：选用H桥型输出方式(电路如图3所示)。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰峰值可达10V，有效地提高了输出功率,故选用此输出电路形式。 故选用方案二 ②开关管的选择：为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低功耗。 方案一：选用晶体三极管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使得整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大。 方案二：选用MOSFET场效应管。MOS管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用MOS管，其中老师给出的又有IRFD9120与IRFD120，IRF9540与IRF540，由于本题所要求输出功率为1W，经比较可知前者的功耗所能提供输出功率1W，后者功耗所能提供输出功率140W，经比较可知应选用IRFD9120与IRFD120。 故采用方案二 5）滤波器的选择

.d类功率放大器

D 类功率放大器 原理 D 类功放也称为数字功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态 . 传统模拟放大器有甲类、乙类、甲乙类和丙类等 ?一般的小信号放大都是甲类功 放，即A 类，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以， 能量转换效率很低，理论效率最高才25%?乙类放大，也称B 类放大不需要偏置， 靠信号本身来导通放大管，理想效卒高达78 5%.但因为这样的放大，小信号时失 真严重实际电路都要略加一点偏置， 形成甲乙类功放，这么一来效率也就随之下 降.虽然高频发射电路中还有一种丙类，即 C 类放大，效率可以更高，但电路复 杂、音质更差，音频放大中一般都不采用.这几种模拟放大电路的共同特点是晶 体管都工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号的大小控制输出的大小， 就 像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自身也在消耗电能 D 类功放采用脉宽调制(PWM )原理设计，其功放管工作在开关状态.在理想 情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时， 内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗.它在实际的工作中的功率消耗主要由 两部分构成：转换损耗和l 2F 损耗.转换损耗如图1-1所示： 转拱损耗区 换，或断开和接通之间切换时通过线性区域而消耗功率.在D 类功放中开关管如 果采用的是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFE 管)，它的开关导通电阻较 小一般远远小于1Q,所以I 2R 损耗相对来说还是很小的.当达到最大额定功率 时，D 类放大器的效率在80%到90%的范围内.在典型的听音条件下，效率也可 达到65%到80%左右，约为AB 类放大器的两倍以上. D 类放大器可分为数字D 类放大器与模拟D 类放大器两类，数字D 类放大 器一般用于数字音响领域，如 CD 信号的功率放大.模拟D 类放大器一般可分为 前置放大级、PWM 调制、功率放大与低通滤波四个部分.其中PWM 调制和功率 放大是D 类放大器的核心，PWM 调制的一般方案有： (1)采用PWM 调制芯片产生PWM 信号，此类芯片可方便的产生PWM 信 号，但一般对电源有要求，不利于整机单5v 供电，并且很多情况下产生的PWM 型号为方波. (2)自己搭建PWM 调制器，采用运放进行比较积分产生 PWM 信号. 1. PWM 调制分析 (1)从能量的角度来看，在每个 t 时间内，正弦波与所对应的脉宽波所包 含的能量等，这样调制后得到的脉宽调制波作用在一个惯性系统（ RLC ）后，其 当开关式放大器输出在 图1-1转换损耗的产生 接通和断开之间切

D类功放(参数设计好)

2.3 高效率音频功率放大器设计 2. 3.1 设计任务及要求 1. 设计任务 设计一个高效率音频功率放大器，功率放大器的电源电压为+5V ，电路其他部分的电源电压不限，负载为8Ω的电阻。 2. 设计要求 ○ 1 3dB 通频带为300Hz ～3400Hz 时，输出正弦信号无明显失真，最大不失真输出功率W 1≥，输入阻抗k Ω10>，电压放大倍数1～20连续可调； ○ 2 在输出功率500mW 时，功率放大器的效率（输出功率/放大器总功耗）%50≥； ○ 3 3dB 通频带扩展至300Hz ～20kHz 时，输出功率保持为m W 200。 2.3.2设计分析 音频功率放大器的目的，是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。衡量音频放大器优劣的主要性能，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；尤其第三个方面的性能指标主要由功率放大器实现。传统的低频功率放大器主要有：A 类(甲类)、B 类(乙类) 及AB (甲乙类)。 A 类放大器的晶体管总是处于导通状态，即在一个输入信号周期内，功率器件都是导通的，也就是说没有信号输入时，晶体管也有输出功率，因此晶体管功耗非常大。因为通常有很大的直流偏置电流流过晶体管，而没有提供给负载，尽管其效率很低(约20%)，但精度非常高。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25 %。 B 类放大器采用两只晶体管推拉工作，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，因此其效率高于A 类放大器。由于晶体管都需要一定的开通时间，这样，在两只三极管交替工作过程中，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，这就造成了相对较大的信号失真。在理想情况下，其效率为75%，实际使用中，效率约为40%左右。 AB 类放大器与B 类放大器非常相似，由于AB 类放大器使用了小的直流偏置电流，使两只晶体管在同一时刻微导通以消除交越失真，因而其性能有所改善。AB 类放大器的效率(约

A类B类AB类C类D类五种功率放大器

1、A类功放(又称甲类功放) A类功放输出级中两个(或两组)晶体管永远处于导电状态,也就就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流,并使这两个电流等于交流电的峰值,这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时,两个晶体管各流通等量的电流,因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压,故无电流输入扬声器。当讯号趋向正极,线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流,下方的输出晶体管则相对减少电流,由于电流开始不平衡,于就是流入扬声器而且推动扬声器发声。 A类功放的工作方式具有最佳的线性,每个输出晶体管均放大讯号全波,完全不存在交越失真(Switching Distortion),即使不施用负反馈,它的开环路失真仍十分低,因此被称为就是声音最理想的放大线路设计。但这种设计有利有弊,A类功放放最大的缺点就是效率低,因为无讯号时仍有满电流流入,电能全部转为高热量。当讯号电平增加时,有些功率可进入负载,但许多仍转变为热量。 A类功放就是重播音乐的理想选择,它能提供非常平滑的音质,音色圆润温暖,高音透明开扬,这些优点足以补偿它的缺点。A类功率功放发热量惊人,为了有效处理散热问题,A类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低,供电器一定要能提供充足的电流。一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。所以A类机的体积与重量都比AB类大,这让制造成本增加,售价也较贵。一般而言,A类功放的售价约为同等功率AB类功放机的两倍或更多。 2、B类功放(乙类功放) B类功放放大的工作方式就是当无讯号输入时,输出晶体管不导电,所以不消耗功率。当有讯号时,每对输出管各放大一半波形,彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大,在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真,因此形成非线性。纯B 类功放较少,因为在讯号非常低时失真十分严重,所以交越失真令声音变得粗糙。B类功放的效率平均约为75%,产生的热量较A类机低,容许使用较小的散热器。乙类功放通常的工作方式分为OCL与BTL,BTL可以提供更大的功率,目前绝大部分的功率集成电路都可以用两块组成BTL电路。 3、AB类功放