基于D类功放家用音响的设计文献综述
专业：电子信息工程 班级：11电信（师范）1班 作者：王协平 指导老师：曾旺辉
摘要：本文介绍了大功率D类音频放大电路的设计，比较了他们各自的优缺点，重点分析了音频放大器的原理.D类音频放大器采用脉宽调制（PMW）信号而不是AB放大器通常采用的线性信号，D类放大器比AB类放大器效率高的多，利用上述技术原理，输出级的损率变得极低.本文中的D类音频功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号的控制，使其工作在开关状态，理论上效率可达100%，但其不足之处在于会产生高频干扰及噪声.本文具体论述了一种基于晶体管的D类音频功率放大器的设计组成.
关键词：PWM调制；功率放大；电压开关型驱动电路
1．引言
随着音响系统的数字化以及便携式产品的市场化,D类功放作为模拟功放的替代产品,越来越被市场所接纳。但目前分析D类功放输出功率及效率还没有统一方法,文中利用数字功放的等效电路,分析了负载端输出电流的波形以及负载电流的平均值;建立了分析输出功率以及输出效率的较精确的数学模型,通过实验证明与实际相符。
高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。因为,功率越大,效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高挡的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。D类放大器的高效率除了节省电源器件的成本以外亦节省电源的浪费或电池的消耗,优化了整个材料系统及使用环境，所以它必然会在以后的社会生活中发挥更大的作用。D 类功放以其显著的特点和优良的性能，已广泛应用于车用数字影音娱乐、PDA 、MP4 、移动电话、高清电视、平板电视等领域。随着应用环境对产品体积、效率、音质、省电等方面的要求，D 类功放将逐渐成为音频设计人员的首选。
1.1 功率放大器的分类以及发展概况
传统的音频功率放大器主要有A类(甲类)、B类(乙类)和AB(甲乙类)。
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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，理想情况下其最高效率为50％。
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％，它的优点是在理想情况下效率可达78．5％，但缺点是会产生交越失真，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，每个功率器件的导通时间在50％～100％之间，兼有甲类失真小和乙类效率高的特点，其工作效率介于二者之间。
然而，传统音频功率放大器效率偏低，体积偏大的缺点与音频功率放大高效、节能和小型化的发展趋势的矛盾，使得D类(丁类)音频功率放大器得以出现和发展。本系统即采用D类功率放大实现，并用单电源供电，符合现代社会对电源小巧、便携要求的实际需要。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。
D类功率放大器又叫开关型功率放大器，现在又有人称之为数字功率放大器。它利用晶体管的高速开关特性和低的饱和压降的特点，效率很高，理论上可以达到100%，实际上可以达到90%。此电路不需要严格的对称，也不需要复杂的直流偏置和负反馈，使稳定性大大提高。用同样的功耗的管子可得到比AB类放大器高4倍功率的输出。
D类功放的功率器件受一高频脉宽调制( PWM) 脉冲信号的控制,使其工作在开关状态, D类放大器的电路共分为三级：输入开关级、功率放大级及输出滤波级。能极大地降低能源损耗，减小放大器体积，在体积、效率和功耗上要求较高的场合具有很大的优势。另外，现代保真音响系统常采用数字音频设备如CD、DAT（digital audio tape），近年发展起来的DVD、计算机多媒体设备、MP3等也都是数字音频信号源。数字音频信号采用脉冲编码调制技术（PCM），信号分辨率通常为12位或16位，采样频率为44.1KHZ（CD）或48KHZ（DAT）。由于数字信号在存储、传输和数据出来上的优点，使人们开始追求数字式功放代替传统的模拟功放，这也使得D类功率放大器受到更大的关注。D类放大器虽然具有很高的效率,但由于功率晶体管的开关工作方式,D 类放大器引入的失真通常大于线性放大器,这是目前D 类放大器在音频放大领域并未得到广泛应用的主要原因。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
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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。
1.2国内外研究现状以及发展趋势
音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。音频放大器已经有快一个世纪的历史了,最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是最基本的一种。为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。尤其进入21世纪以后,随着各种便携式的电子设备的发展。从作为通讯工具的手机,到作为娱乐设备的MP3播放机,已经快成为人人具备的便携式电子设备。
我们所研究的功率放大器就是将输入小信号转化为输出大信号的装置。其中功率放大器又有谐振功率放大器与非谐振功率放大器之分。总的来说，放大器有A（甲）类，B（乙）类，AB（甲乙）类，D类放大器等。何为高效的功率放大器。就此设计来说，电压放大20倍左右，电流输入为MA级，输出为A级。效率为80%已经是很高要求的高效率功率放大器了。所有这些便携式的电子设备的一个共同点就是都有音频输出,也就是都需要有一个音频放大器;另一个特点就是它们都是电池供电的。都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下,D类放大器应运而生了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。
高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。因为,功率越大,效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高挡的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。D类放大器在这些设备中也扮演了极重要的角色。通过研究 ,我们认为国际国内专业部门应尽快制订类数字音频功率放大器检测方法标准 ,同时应尽快将类数字音频功率放大器检测方法标准 ,同时应尽快将类数字音频功率放大器内容编人高教教材 ,改变数字 、科研落后于应用的现状 。
D类功放的功率器件受一高频脉宽调制( PWM) 脉冲信号的控制,使其工作在
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开关状态, D类放大器的电路共分为三级：输入开关级、功率放大级及输出滤波级。能极大地降低能源损耗，减小放大器体积，在体积、效率和功耗上要求较高的场合具有很大的优势。另外，现代保真音响系统常采用数字音频设备如CD、DAT（digital audio tape），近年发展起来的DVD、计算机多媒体设备、MP3等也都是数字音频信号源。数字音频信号采用脉冲编码调制技术（PCM），信号分辨率通常为12位或16位，采样频率为44.1KHZ（CD）或48KHZ（DAT）。由于数字信号在存储、传输和数据出来上的优点，使人们开始追求数字式功放代替传统的模拟功放，这也使得D类功率放大器受到更大的关注。D类放大器虽然具有很高的效率,但由于功率晶体管的开关工作方式,D 类放大器引入的失真通常大于线性放大器,这是目前D 类放大器在音频放大领域并未得到广泛应用的主要原因。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。
D类放大器是目前音频播放器的非常有前途的发展方向，他更好地适应了便携式电子音频设备对功率放大器的高效率，低失真的的发展要求。
1.3 D类功放的工作原理
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
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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。
图1.3_1是D类功放的基本结构，可分为三个部分：
图1.3_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PWM（Pulse Width Modulation脉宽调制）或PDM（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。
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信号。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，
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文献综述--王协平
