D类音频功率放大器的研究与实现

作者：时间：2009-02-03来源：网络收藏

1 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/167075.htm

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。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。同时，便携电子设备的工作时间一直是厂商全力追求的最重要的性能指标，新的无滤波器D类放大器在几瓦特的功率级别上正在取代原先固定的AB类器件。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。

2 D类放大器的基本结构

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。

D类放大器工作在开关状态下可以采用脉宽调制(PWM)模式。利用PWM能将音频输入信号转换为高频开关信号。通过一个比较器将音频信号与高频三角波进行比较，当反相端电压高于同相端电压时，输出为低电平；当反相端电压低于同相端电压时，输出为高电平。

在D类放大器中，比较器的输出与功率放大电路相连，功放电路采用金属氧化物场效应管(MOSFET)替代双极型晶体管(BJT)，这是因为：

(1)功率MOSFET是一种高输入阻抗、电压控制型器件，BJT则是一种低阻抗、电流控制型器件。

(2)从二者的驱动电路来看，功率MOSFET的驱动电路相对简单，BJT可能需要多达20％的额定集电极电流以保证饱和度，而MOSFET需要的驱动电流则小得多，而且通常可以直接由CMOS或者集电极开路TTL驱动电路驱动。

(3)MOSFET的开关速度比较迅速，他是一种多数载流子器件，没有电荷存储效应，能够以较高速度工作。

(4)MOSFET没有二次击穿失效机理，他在温度越高时往往耐力越强，发生热击穿的可能性越低。他还可以在较宽的温度范围内提供较好的性能。

(5)MOSFET具有并行工作能力，具有正的电阻温度系数。温度较高的器件往往把电流导向其他MOSFET，允许并行电路配置。而且，MOSFET的漏极和源极之间形成的寄生二极管可以充当箝位二极管，在电感性负载开关中特别有用。

场效应管有两种工作模式，即开关模式或线性模式。所谓开关模式，就是器件充当一个简单的开关，在开与关两个状态之间切换。线性工作模式是指器件工作在某个特性曲线中的线性部分，但也未必如此。此处的线性是指MOSFET保持连续性的工作状态，此时漏电流是所施加在栅极和源极之间电压的函数。他的线性工作模式与开关工作模式之间的区别是，在开关电路中，MOSFET的漏电流是由外部元件确定的，而在线性电路设计中却并非如此。D类放大器需要两只MOSFET，他们在非常短的时间内可完全工作在导通或截止状态下。当一只MOSFET完全导通时，其管压降很低；而当MOSFET完全截止时，通过管子的电流为零。两只MOSFET交替工作在导通和截止状态的开关速度非常快，因而效率极高，产生的热量很低，所以D类放大器不需要散热器。

3脉宽调制(PWM)

采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 D类数字音频功率放大器与上述各类模拟功放的最大区别是不以线性放大音频信号为基础，而是以放大数字信号为原理的一种数字信号放大技术。D类数字功放首先把模拟音频信号变换为脉冲宽度调制(PWM)信号，如图1所示。

在PWM转换中，以44.1 kHz或48 kHz的取样频率和8 b或16 b的量化率(即模拟信号振幅值的读出刻度)进行A／D(模拟／数字)变换，然后再把PWM数字信号进行高效率放大(D类放大)。由于音频信号的信息全部包含在脉冲的宽度变化中，与脉冲的幅度变化无关，因此，只要采用截止频率为30～40 kHz的低通虑波器就可把模拟音频信号解调出来。图2是D类数字功放的原理图，为每个数字声源直接输出的PCM信号输入，机内还设置有一个PCM／PWM两种脉冲编码的转换装置。