D类音频功率放大器设计报告

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（PWM）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信号送入滤波器，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脉冲信号，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-PWM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PWM音频编码。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1，波形图如图2所示。 输入 A-D 三角波 输入

PWM信号 输入信号 LFE

RL 输出 输入 输出 三角波信号 PWM信号 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信号，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波的频谱，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。

三角波 + 电平 - - 输出 输入信号 输入

图3：功率输出级结构说明 图4 ：PWM波频谱

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CMOS的功率晶体管组成，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D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VCM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截止频率f-3dB，f-3dB与Rin，Cin的关系为：f-3dB=1/2πCin*Rin；放大器增益AVD与Rin及Rf的关系为：AVD=-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25μV；频带宽度50-50000Hz；谐波失真小于0.02%；转换速率大于10μs/V。

15K 15K 56K 3DG4F10uF3DG4F 20K 20K 300pF 2K470KNE553210uF 51K 100uF

图5：前置放大器电路

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，通过使用一种定时器电路（ICM7555）来实现。ICM7555在最高达1.0MHz的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。该电路由运算放大器（HA5221）和电阻器电容网络组成。 C1250pF0.5uF6D?26233R250K10K10KR310KR18237C516HA522110KR5ICM7555C60.1uF445511N54041uFR7100PFC3C215KR610KVCCR310KR41uFC44 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LM111。

LM111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MOS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输入端的PNP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的单电源，为给V+=V-提供符合要求的静态电位，取R12=R15，R13=R14，4个电阻均取10KΩ。R16构成负反馈电路。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。

10KR1210KR1310KR162U373510KR1410KR156LM111841

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PWM信号进行整形；二是将PWM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CMOS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?A12408133234049U?A4049U?A324081240814049U?A2124081U?A3U?A33111.5KRt12U?A13224030U?A31004030pF 图8： 驱动控制电路

5.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PWM信号中的调制信号解调出来，即开关式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IRFD120，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。

Q1Q2Q3Q4 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(超高频)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。

L122uHL247uHC11uFC20.68uFSPEAKERL447uHC30.68uFL322uHC41uF:图10： 输出低通滤波器的结构 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。

500*6 Q1`3DG2010.2*5 Q23DG201Q33DG201Q43DG201Q53DG201D6D1D2D3D4D52CP10*633uFGND图12： 五段电平指示电路

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LB1405驱动，可以做输出电平指示或录音电平指示。调节电位器（10KΩ）可控制指示灵敏度，改变集成电路15角外接的4.7μF电容大小，可以改变闪灯的响应频率。

SPVCC27020K16LB1405151P10K2K100K100K4.715K133894.7GND图13： 采用集成电路LB1405的电平指示电路

8.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电。

11243470uF/25F220V13420.1uF1470F/25V10.1Uf0.1uF3+5V30.1uFVOUT-12VVINGND78L12VINVOUTGND3+12V0.1uF79L12VOUTGND78L05INV2200F/25VVINGND2222000uF/25V0.1uF0.1uF图14:音频放大器供电电源电路结构

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。

VOUT78L050.1uF123-5v

4241443312535100PF22C21uF2200F/25VVCC10KR3470F/25V470uF/25F2000uF/25VC3R250K10KR310KR710KR130.1uFVIN0.1uF10KR4321110.1Uf78L05OUTVINGNDVVIN0.1uF78L1281HA52215KR6472V3OUT22VOUT278L053379L1231-5v+5V1uF0.1uF0.1uF+12VC460.1uF0.1uF-12V10KR510KR1410KR155328671001.5K2pF0.6810k1uFRtA40810.2*5D12CP10*6Q1`3DG201500*6 A221213331U?A40304049U?A40814049A323340492Q2Q41U?A403012212Q1Q3GND333U?A40814081A

ICM7555220VC60.1uFD?1661N54041OUTVINGNDV 56K 20K 10uF300pFC1250pF3DG4F 51K3DG4F 20K 2K 15KGNDGND0.5uFC5 15K100uF1uFC61uFC310KR1210KR13U341LM11110KR16470KNE553210uF D2Q23DG201 D3AQ33DG201 D4Q43DG201 D5Q53DG201D6 33uF 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，PWM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PWM放大器的同相输入端，同时有555定时电路生成的方波信号经HA5221生成三角波信号送入PWM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LED电平显示电路的作用是根据音量的大小同步的显示。电源供电电路提供该D类音频功率放大器内的所有晶体管，逻辑电路，集成电路的电源，交变电流采用家用220Hz的交流电。

结论

我所设计的D类音频功率放大器其各项参数指标基本符合设计要求。在设计中，我在很快的掌握了D类音频功率放大器的工作原理的基础之上，通过多次的分析，设计出了切实可行的设计方案，根据D类音频功率放大器的工作原理，结合PWM波的产生，制作了可以模拟音频输入信号的样机

在这次设计中，虽然走过了许多的弯路，但是这同时使我从中积累了许多的经验教训。正是这些的经验教训使我对D类音频功率放大器的工作原理有了更进一步的理解，对集成电路的工作原理有了更深的理解和认识。

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