D类音频功率放大器的研究与实现

为适应CD光碟等数字声源直接输出的脉冲编码调制(PCM)数字信号输入，数字功放内设有一个PCM转换为PWM的调制转换装置。D类数字功放的电源利用率可达80％以上，他的延时(相移)约为模拟功放的1／6，但是解调出来的音频信号交越失真较大。

4 D类放大器的电路设计

4.1 D类放大器的组成

D类放大器的架构有对称与非对称两大类，在此讨论的D类功放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。D类放大器一般由积分器、PWM电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图3所示。

他采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。其输出电压是叠加变大的，经过低通滤波器后，仍存在较大的负载电流，特别当滤波器设计不好时，流过负载的电流就会更大，从而导致负载损耗大，降低放大器效率。

4.2 改进型D类功率放大器电路设计

4.2.1 脉宽调制电路(PWM)设计

H全桥电路如图4所示。

采取改进的PWM调制方案：零信号输入时2路输出的PWM同相，负载上的电压为0，当输入信号为正时，第一路输出脉冲的占空比大于50％，另一路输出脉冲的占空比小于50％，当输入信号为负时，第一路输出脉冲的占空比小于50％，另一路输出脉冲的占空比大于50％。

当一路信号确定时，改进PWM方案的第二路输出与传统PWM方案的第二路输出相差了半个周期。采用这种PWM方法能够抑制零信号输入时的静态损耗，从而有利于放大器效率的提高。

4.2.2 改进全桥PWM方案的模拟实现方法

采用改进PWM方案的全桥D类功率放大器结构中，PWM控制器是以音频信号为基准信号，对高频(300 kHz)的三角波进行调制，得到脉冲宽度随音频幅度变化的脉冲信号。比较器可采用高速比较器实现，其反相输入端接高频三角波，同相输入端则分别接输入电压放大器输出的相位相反的音频信号。当输入音频信号电压为0时，输出两路占空比为50％的脉冲波；输入信号电压为正时，一路输出为占空比大于50％的脉冲波，另一路输出为占空比小于50％的脉冲波；输入信号电压为负时，情况则相反。该方案在全国大学生电子设计竞赛高效率音频功率放大器的设计中得到了很好的应用。实践表明，该系统性能优良，并降低了对滤波器性能的要求。

4.2.3 改进全桥PWM方案的数字实现方法

采用基于CPLD的数字方法来实现改进的全桥PWM方案，其PWM变换器结构框图如图5所示。

当输入不同的脉宽数据D8～D0时，变换器输出不同脉宽的PWM1和PWM2信号。时钟信号经512进制计数器得到进位脉冲C0和Cy2(延时C0半个周期)，用以决定PWM信号的频率，其上升沿将D触发器Q端置1；512进制计数器的数值从0开始不断递加，当计数值与输入脉宽寄数值相等时，比较器输出一个负脉冲，将触发器C清0。这样实现了与输入脉宽数据相对应的PWM信号的输出。在电路的实现中，可利用2路PWM输出存在的规律性，以减少所需的电路资源。将9 b数值比较器拆分成8 b比较器和1 b比较器，这样2路PWM输出可共用8 b比较器，只是高位比较器的比较量不同，因为PWM2的清0时刻比PWM1的清0滞后了半个周期。

5 结 语

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。

本设计采用全桥改进PWM方案实现的D类放大器具有效率高、降低滤波器要求等特点。采用CPLD实现改进的全桥PWM方案，并结合DSP实现串并转换、数字插值和噪声整形等处理，可实现高保真的音频放大器，设计的数字功率放大器可对数字音源输出的音频信号进行直接放大，为数字音源和功率放大的整合提供了完整的解决方案。