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1、数字功率放大器设计摘要对于D类放大器，它只有两种状态，不是通就是断。因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大，人们把此种具有开关方式的放大，称为数字放大器，即D类功放中的功率晶体管工作在开关状态。目前大部分音响系统中的功放是模拟功放，由于D类音频功率放大器与传统的模拟功放相比，具有体积小、效率高、低失真、大功率的特点，所以具有广阔的发展前景。本文分析了各种类型的音频功率放大器的原理和特点，比较了A类、B类、AB类功率放大器的优缺点，通过对各类功放性能指标的分析，引出了D类音频功率放大器。通过分析D类音频功率放大器的工作原理，简要描述了高效率音频功率放大器设计思路，同时具体讨论
2、了D类音频放大器各个模块的工作原理和设计要点，运用软件绘制出电路图并成功进行了仿真测试。关键词：功放，D类，性能指标，设计，仿真测试AbstractThe power transistor of Class D amplifier in the switch state, it also referred to as the digital power amplifier .At present most of the sound system is a simulation of the power amplifier, Class D audio power amplifier due t
3、o traditional analog amplifier and compared with the small size、high efficiency、low distortion、high power characteristics, it has broad prospects for development . This article introduces the elements and features of the power amplifier and compares Class A , Class B , Class AB power amplifier, it l
4、eads to D audio power amplifier through various types of performance analysis. It map out a successful simulation by analyzing the working principle of Class D audio power amplifier, describing a high-efficiency audio power amplifier design , discussing various D audio amplifier module operating pri
5、nciple and design elements, using EWB software and circuit diagrams . Key words: power amplifier; Class D; performance indicators; design; simulation test目 录1.绪 论41.1 D类功率放大器的研究背景41.2D类功率放大器的研究意义和现状51.3本课题的任务62功率放大器的基础知识62.1功率放大器的原理62.2 功率放大器的特点72.3 功率放大器的主要性能指标72.3.1 输出功率82.3.2 频率响应82.3.3 失真92.3.4
6、信噪比102.3.5 输出阻抗和阻尼系数112.4功率放大器的种类112.4.1 A类放大器112.4.2 B类放大器122.4.3 AB类放大器142.4.4 D类放大器143. D类功率放大器163.1 D类功率放大器的工作原理163.2 各电路模块设计193.2.1 前置放大器电路193.2.2 三角波产生电路203.2.3 比较器电路223.2.4 驱动电路233.2.5功率放大电路243.2.6 电源电路264. D类功率放大器的电路调试274.1各电路的仿真结果274.2 D类功率放大器的性能测试284.2.1 放大倍数的测试294.2.2 频率响应的测试294.2.3 输入阻抗的
7、测试304.2.4 输出阻抗的测试304.2.5 最大不失真输出功率的测试315 结论与展望32致 谢33参考文献34附录351.绪 论D类功放中的功率晶体管工作在开关状态，所以又称作数字功率放大器。低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。模拟功率放大器通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。工作在开关状态下的D类功率放大器却很容易实现，大功率，高效率，低失真。1.1 D类功率放大器的研究背景音频放大器已经快有一个世纪的历史了，最近几年，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展。音质好、电源效率高、发热少的D类放大器成为市场的需求
8、。并且由于D类放大器的耗电低、发热少等诸多特点，越来越得到日益强调环保的市场的认同。与体积庞大的传统线性放大器相比，使用D类放大器并不影响音频信号的音质却能够实现便携产品的小型化，因此市场对电子产品薄型化、便携式的需求趋势造就了传统放大器向数字放大器的转化。 简单地说，历史上出现过三代D类放大器设计：第一代的范例是由托卡塔设计的TacTMillennium，证实了D类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等复杂的
9、前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器，从而获得了一定的应用。第三代是最近一段时间，现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善，他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制，最后还不能忽视新的架构技术。1.2 D类功率放大器的研究意义和现状D类音频功率放大器采用的
10、技术为脉冲宽度调制技术PWM（Pulse Width Modulation）。将音频信号与三角波或者锯齿波信号相比较，经采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成比例变化的PWM信号，然后经过驱动电路，送入功率放大级，通过PWM信号控制功率器件的开关，实现放大。最后将放大的PWM信号送入低通滤波器，将放大了的音频信号提取出来。D类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际的运用通常在80%以上。在低输出功率的情况下，D类功放的效率远远高于AB类功放。这使得将它应用在移动多媒体设备上时，相比于AB类音频功放能大大延长电池的使用时间。同时D类功放产生的热量小，可以大大降低对散热的要求，输出功率可
11、以很容易达到数百瓦。凭借其高效率的特点，D类放大器现在开始逐渐取代AB类放大器进入便携式品、家庭影音设备、专业影音、汽车电子等多个领域，这些不同的应用对D类大器要求千变万化，这推动了D类放大器产品的多样化和复杂化，各大半导体计公司纷纷推出性质日趋完善的D类放大器设计。D类放大器销售总值也逐年速上涨。虽然D类音频功率放大器在效率上有极大的优势，但是自身也有一些缺点。1.EMI干扰（电磁干扰），当其用于手机等无线通信设备时会对信号传输造成干扰；2.谐波失真高于AB类；3.低通滤波器占用额外面积且提高了成本。为此，全球各大知名半导体公司提出了相应的解决方案，比如德州仪器公司的无需滤波器的调制方案，美
12、信的零死区时间技术以及扩频调制技术等。无需滤波器的调制方案可以节省电路板的空间，降低成本，零死区时间可以降低音频信号的非线性失真，扩频调制技术可以降低放大器的EMI干扰。这些技术使得D类音频功放的性能日趋提升，拉近了它在成本和音质上与AB类的差距。1.3本课题的任务从功率放大器的分类入手，整体掌握功率放大器的工作原理和结构特点，深入研究各类功率放大器的性能指标和工作特点。认真对比各类功放优越性及不足的同时，总结出D类功放的技术特点。然后从D类功率放大器的技术原理和实际可行性切入，设计出符合要求的D类功率放大器电路，并对相应的性能指标（放大倍数、频率响应、输入阻抗、输出阻抗等）进行测量。（在课题
13、的研究中，需要借助multisim仿真软件的支持）。2功率放大器的基础知识2.1功率放大器的原理放大电路的作用是将放大后的信号输出，并驱动执行机构完成特定的工作，执行机构通常称为电路的负载。不同的负载具有不同的功率，放大器要驱动负载必须输出相应的功率。能够向负载提供足够输出功率的电路称为功率放大器，简称功放。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。我们在这里设计的是低频功率放大器。利用三极管的电流控制作
14、用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。 2.2 功率放大器的特点由上面讨论我们知道，放大电路的实质是能量转换和控制电路。功放电路在工作的过程中，不仅追求输出高电压，且要追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。因此，功率放大电路中包含
15、一系列特殊问题。（1）输出功率要足够大如果输入信号是某一频率的正弦信号，则输出功率表达式为： （2-1）式中，均为有效值，如果振幅值表示为，带入公式（2-1）中可以得到： （2-2）（2）效率要高放大器实质上是一个能量转换器，它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量，然后输送给负载。因此，要求转化效率高。为定量反应放大电路效率的高低，引入参数，它的定义为： （2-3）式中为信号输出功率，是直流电源向电路提供的功率。在直流电源提供相同直流功率的条件下，输出信号功率越大，电路的效率越高。（3）非线性失真要小 为使输出功率大, 由公式(2-2)可知，、也应大，故功率放大器采用的三极管均应工作在大信号状态下。由于三极管是非线性器件, 在大信号工作状态下, 器件本身的非线性问题十分突出, 因此, 输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。当输入是单一频率的正弦信号时, 输出将会存在一定数量的谐波。谐波成分愈大,表明非线性失真愈大, 通常用非线性失真系数表示,
