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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
16、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, 它等于谐波总量和基波成分之比。通常情况下，输出功率愈大，非线性失真就愈严重。2.3 功率放大器的主要性能指标功率放大器的性能指标很多，有输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗、阻尼系数等，其中以输出功率、频率响应、失真度三项性能指标为主。2.3.1 输出功率输出功率是指功放输送给负载的功率，以瓦（W）为基本单位。功放在放大量和
17、负载一定的情况下，输出功率的大小由输入信号的大小决定。过去，人们用额定输出功率来衡量输出功率，现在由于高保真度的追求和对音质的评价不一样，采用的测量方法不同，因此形成了许多名目的功率称呼，应当注意。 （1）额定功率（RMS） 它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。 （2）最大输出功率 当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大
18、输出功率是两种不同前提条件的输出功率 （3）音乐输出功率（MPO） 音乐输出功率MPO是英文Music Power Outpur的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。 音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不完的劲；有的功放却显得力不从心底气不足。为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用音乐输出功率来量度。 （4）峰值音乐输出功率（PMPO） 它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不
19、考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。 通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，经实践统计，峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-8倍。2.3.2 频率响应频率响应是指功率放大器对声频信号各频率分量的均匀放大能力。频率响应一般可分为幅度频率响应和相位频率响应。幅度频率响应表征了功放的工作频率范围，以及在工作频率范围内的幅度是否均匀和不均匀的程度。所谓工作频率范围是指幅度频率响应的输出信号电平相对于1000Hz信号电平下降3dB处的上限频率与下限频率之间的频率范围。在工作频率范围内，衡量频率响应曲线是否平坦，或者不均匀
20、度一般用dB表示。例如某一功放的工作频率范围及其不均匀度表示为：20Hz-20kHz，1dB。相位频率响应是指功放输出信号与原有信号中个频率之间相互的相位关系，也就是说有没有产生相位畸变。通常，相位畸变对功放来说并不很重要，这是因为人耳对相位失真反应不很灵敏的缘故。所以，一般功放所说的频率响应就是指幅度频率响应。目前，一般功功率放大器的工作频率范围为20Hz-20kHz。2.3.3 失真失真是指重放的声频信号波形发生了不应有的变化。失真有谐波失真、互调失真、交叉失真、削波失真、相位失真和瞬态失真等。(1) 谐波失真这种失真是由电路中的非线性元件引起的，信号通过这些元件后，产生了新的频率分量（谐
21、波），这些新的频率分量对原信号形成干扰，这种失真的特点是输入信号的波形与输出信号波形形状不一致，即波形发生了畸变。THD是英文Total Hormonic Distortion的缩写，译成中文是“总谐波失真”。它是音频功率放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定输出功率的一个条件。理想的音频功率放大器，若不考虑该功率放大器的增益大小，输入一定频率的正弦波信号，其输出也应该是没有失真、没有噪声的正弦波信号。但真实的音频功率放大器的输出音频信号总会有一点失真，并且叠加了噪声。这种失真是较小的，从波形图中也难看出来，只有用失真仪才能测出。波形的失真是由于在正弦波上加了多种高次谐波造成的（如
22、3次谐波、5次谐波等），所以称为总谐波失真。理想的音频功率放大器没有谐波失真及噪声，所以THD=0%。实际的音频功率放大器有各种谐波造成的失真及由器件内或外部造成的噪声，它有一定的THD+N的值。这个值一般在0.001%-10%之间。THD+N表示失真+噪声，因此THD+N自然越小越好。但这个指标是在一定条件下测试的。同一个音频功率放大器，若改变其条件，其THD+N的值会有很大的变动。这里指的条件是，一定的工作电压、一定的负载电阻、一定的输入频率（一般常用1kHz）、一定的输出功率下进行测试。若改变了其中的条件，其THD+N值是不同的。通常，输出功率越大，失真也跟着增大。在D类放大器中，最重要
23、的失真是非线性失真。D类功放非线性失真通常使用总谐波失真THD来表示，主要由以下因素所引起：1.采样使得脉宽误差和量化误差；2.驱动管的死区和延时；3.功率管的导通时间和晶体二极管恢复；4.输出滤波电感和电容的非线性。THD的计算公式如下： (3-5)THD+N的公式如下： （3-6）式（3-5）与式（3-6）中是基波分量（即音频信号），是谐波分量，是噪声。(2) 互调失真两种或多种不同频率的信号通过放大器或扬声器后产生差拍与构成新的频率分量，这种失真通常都是由电路中的有源器件（如晶体管、电子管）产生的。失真的大小与输出功率有关，由于新产生的这些频率分量与原信号没有相似性，因此较少的互调失真也
24、很容易被人耳觉察到。(3)交叉失真和削波失真交叉失真又称交越失真，是由于功率放大器的乙类推挽放大器功放管的起始导通非线性造成的，它也是造成互调失真的原因之一。削波失真是功放管饱和时，信号被削波，输出信号幅度不能进一步增大而引起的一种非线性失真。削波失真会使声音变得模糊而且抖动。削波失真是无法消除的，只有在聆听音乐时注意不要使放大器达到满功率极限。(4) 瞬态失真和瞬态互调失真瞬态失真又称瞬态响应，它是指功放瞬态信号的跟随能力。当瞬态信号加到放大器时，若放大器的瞬态响应差，放大器的输出就跟不上瞬态信号的变化，从而产生瞬态失真。功放的瞬态响应主要决定于放大器的频率范围，这就是高保真放大器将频率范围
25、做得很宽的主要原因之一。瞬态互调失真，简称TIM失真。在输入脉冲性瞬态信号时，音响电路中的电容使输出端不能立即得到应有的输出电压，而使得负反馈电路不能得到及时的响应，功放在这一瞬间处于开环状态，使输出瞬间过载而产生削波，这一削波失真称为瞬态互调失真。瞬态互调失真是晶体管功放电路和集成功放电路产生所谓“晶体管声”、使其音质不及电子管功放的重要原因。2.3.4 信噪比信噪比,即SNR（Signal to Noise Ratio）又称为讯噪比，狭义来讲是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声
26、越小，声音回放的音质量越高，否则相反。信噪比一般不应该低于 70dB，高保真音响的信噪比应达到110dB以上。2.3.5 输出阻抗和阻尼系数功放输出端对负载（扬声器）所呈现的等效内阻抗，称为输出阻抗，阻尼系数则是指功放给扬声器的电阻尼的大小。由于功放电路的输出阻抗是扬声器并联的，相当于在扬声器音圈两端并联一个很小的电阻，它会使扬声器纸盘的惯性振荡受到阻尼。功放的输出阻抗越小，对扬声器的阻尼越大，因此常用阻尼系数来描述功放电路对扬声器的阻尼程度。阻尼系数定义为扬声器阻抗与功放输出阻抗（含音箱线电阻）之比，即DF越大，表示功放使扬声器不能作自由振荡的制动能力（即阻尼能力）越强。但是阻尼系数也不是越
27、大越好，从听感上说，阻尼系数太大（成为过阻尼），会使声音发干；而阻尼系数太小（成为欠阻尼或阻尼不足），因振荡拖尾较长，会使低音变得混浊不清，失真增大。2.4功率放大器的种类功率放大器通常按照其功率开关管的工作方式分为线性功率放大和非线性功率放大两类。线性功率放大器即为传统的模拟放大器，常分为A类、B类、AB类三种，其主要特点是保真度高，但是效率很低。非线性放大器又称为D类放大器(开关放大器)，其功率开关管工作于开关状态，具有很高的效率。下面将对这四类功率放大器的特点分别进行介绍。2.4.1 A类放大器A类放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。 这种放大器，由于避免了器件开关所产生
28、的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。A类放大器在结构上，还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作，其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过，而不使任一器件截止。这一措施的最大优点是它不会突然地耗尽输出电流，如果负载阻抗低于标定值，放大器会短期出现截止现象，在失真上可能略有增加，但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流源型(VCIS)，它本质上是一个单独的射极跟随器，并带有一个有源发射极负载，以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时，需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。工作在A类状态下的放大器，
29、在没有信号输入的时候，静态工作点的值为和，电路消耗的功率为和的乘积。即 （2-5）说明A类放大器在没有输入信号时，电路也要消耗能量，此时电路的能量转换效率为零。在有信号输入时，部分直流功率转换成信号功率输出，信号愈大，输出功率愈大，电路能量转换的效率也随着增大。由图2-1可见，若功放管的饱和管压减可忽略，在理想的情况下，信号电流和信号电压的最大值约等于和。根据有效值和最大值的关系，可得在理想情况下，输出信号功率的最大值为： （2-6）根据效率的定义式 ，可得甲类功率放大器的最高效率为50%。因A类放大器能量转换的效率较低，所以A类放大器主要用于电压放大，在功放电路中较少用。图2-1 A类功率放
30、大电路工作状态示意图2.4.2 B类放大器 B类放大器是指器件导通时间为50%的一种工作类别。因A类放大器在没有输入信号时，电路也要消耗能量，所以，A类放大器的能量转换效率较低，为了提高功率放大器的能量转换效率，将电路的静态工作点移到直流负载线为零的Q点，工作点位于如2-2图所示的Q点的放大器称为B类放大器。B类放大器的特点是，功放管只在信号的半个周期内处于导通的状态，电路的静态工作点等于零。处在B类状态下工作的放大器静态功耗等于零，随着信号的输入，电源提供的功率、放大器的输出功率和转换效率也随着发生变化。由图可见，若功放管的饱和管压减可忽略，在理想的情况下，B类放大器输出信号的最大值为Vcc
31、，输出信号功率的最大值为 （2-7）因B类放大器只在信号的半个周期内有功率输出，所以，该放大器有信号输出时，电源消耗的功率为电源电压和半波电流的平均值的乘积，即 （2-8）由此可得，在理想的情况下，B类放大器的能量转换效率为 （2-9） 图2-2 B类功率放大电路工作状态示意图2.4.3 AB类放大器 B类放大器将静态工作点取在如图所示的为零的Q点上，工作在这种状态下的放大器虽然效率比较高，但在信号交接的时候会产生交越失真。为了消除交越失真，将静态工作点的值取在如图2-3所示的Q点，具有这种工作点特性的放大器称为AB类工作状态。AB类放大器的特点是，功放管在信号半个周期以上的时间内处于导通的状
32、态，由于电路的静态工作点较小，静态功耗也较小，在理想的情况下，此类放大器的转换效率接近B类放大器。AB类放大器，实际上是A类和B类的结合，每个器件的导通时间在50-100之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按B类设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类。AB类放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。这样在AB类状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类或B类。图2-3 AB类功率放大电路工作状态示意图2.4.4 D类放大器D类音频放大器是以离散时间放大器设计思想为基础，它的研究已有近
33、半个世纪，直到 1970年金属氧化物半导体场效应管出现后，实现了高性能的开关器件，这才开发出宽频带D类音频放大器。D类音频功放不同于A类、B类和AB类工作方式，它采用切换电压方式同时利用PWM(Pulse Width Modulation)信号控制导通时间以放大信号。该类放大器输出级的工作状态在完全导通和完全截止两状态间转换，因此输出器件的功耗很小。由于D类功放利用晶体管快速切换的开关特性，以开关方式把模拟音频信号进行脉宽调制（PWM），使其效率远高于其他类功率放大器。D类功放的最大优势在于其电源功率转换效率，理论上可以达到100%。意法半导体公司的TS4962型号D类放大器电源功率转换效率已
34、经达到88%.与AB类放大器相比，D类放大器需要更小的电源电流，因此具有更长的电源使用时间或者更低的电源使用成本;另外，D类放大器更低的发热量使得更小的封装成为可能，同时去掉了AB类放大器中所使用的降温设备。基于这两个优点，对于消费类电子来说，D类功率放大器的高效率成为最好的选择。除了高效率外，D类放大器还具有大功率、低失真的优点。虽然其他种类的模拟功率放大器也可以通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但却不能同时获得大功率和高效率。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。3. D类功率放大器3.1 D类功率放大器的工作原理D类放大器一般由积分
35、器、PWM电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图3-1所示。 图3-1 D类功率放大器原理方框图以输入信号为标准的音频信号为例，它的工作原理是通过耦合电容将外部提供的模拟信号接入，耦合过来的信号按照使用条件和用户需要加前级放大，将前级放大系数设置成可以外部调整，电路内部设计有高频三角波产生电路，产生的三角波和输入放大后的信号通过高精度的比较器产生PWM信号，为控制信号的失真度和防止出现直流通路，设计死区时间控制。修正后的PWM信号用来驱动输出级功率管，产生强驱动的功率信号，外部接有低通滤波器，将载波信号滤除，得到无失真的正弦音频信号。D类放大器所采用的脉宽调制技术就是用模拟音频信号的
36、幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。从原理是这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。这时候要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放大就可以了。而原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的宽度之中。只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。在没有信号的时候，输出信号就是占空比为50%的方波。所以如果在放大的时候，幅度上产生失真并不会使原来的音频信号产生失真。在这种情况下的放大器就可以完全工作在开关状态。在开关工作状态，晶体管的效率是很高的。因为在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小(由其饱和电阻决定)，而在
37、截止的时候，流过晶体管的电流很小(大小为其漏电流值)。这种脉宽调制可以用一个等幅三角波来对音频信号进行采样。为了避免失真，这个三角波的频率必须远高于音频信号的最高频率分量。通常为了不失真地放大最高频率分量为20kHz的音频信号，其三角波的重复频率最好在音频信号的十倍以上。当PWM信号被放大后，还要还原为音频信号，这只需要用一个低通滤波器滤掉不需要的高频分量就可以了。图3-2中表明一个音频信号经过三角波采样之后的输出频谱，其中包含很多高频分量。在经过低通滤波器之后音频范围之外的高频分量被滤除，留下了经过放大后的音频信号。在调制过程中的非线性会使音频信号产生高次谐波，这就是放大器的THD（Tota
38、l Harmonic Distortion）产生的原因。在推挽或平衡放大器中，通常没有偶次谐波，所以在这种电路中，高次谐波中以三次谐波的分量最大。图3-2 原始信号和PWM输出信号以及经过低通滤波器以后的信号频谱通过傅立叶变换可以更好的分析PWM信号的频率成分，找出其频谱特点。以锯齿波为调制信号，正弦波为被调至信号为例分析如下。调制波形如图3-3所示，表达式为（3-1），傅立叶级数为式（3-2）。图3-3调制信号波形图中，,m代表调制度，它由三角波的峰值与被调制信号的峰值决定。 （3-1） （3-2）从式3-2中可知，调制后的PWM信号中含有音频基波分量，其幅度与脉冲幅度，调制度成正比。改变脉
39、冲的幅度和调制度，都可以将音频分量放大。除了音频基波分量，PWM信号中还含有音频信号的谐波分量，载波及其谐波分量，以及音频谐波与载波谐波的组合频率。载波与音频信号谐波落入音频基带中将形成固有失真。从以上分析中可知，采样频率越高，固有失真越小。3.2 各电路模块设计3.2.1 前置放大器电路前置放大器是整个电路的第一级，用来对音频信号进行电压放大。对其要保证低噪声，高信噪比，高转换速率，输出电阻要小，同时其通频带应大于音频频率范围。大多数情况下，各种功率放大器的前置放大器是可以通用的，在D类的设计过程中我们可以使用以下优质低噪声前置放大器。设置前置放大器，可使整个功放的增益从120连续可调，而且
40、也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8上的电压 =8V，此时送给比较器音频信号的值应为2V，则功放的最大增益约为4（实际上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于4）。因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。前置放大器电路如图3.2.1所示。前置放大器仍采用宽频带、低漂移的运算放大器TLC4502，组成增益可调的同相宽带放大器。选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻的要求。同时，采用满幅运放可在降低电源电压时仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求输入电阻大于10k，故取R1=R2=51k，则=51/2=25.5k，反馈电阻采用电
41、位器R4，取R4=20k，反相端电阻R3取2.4k，则前置放大器的最大增益Av为调整，使其增益约为8，则整个功放的电压增益为032可调。考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值，取，则要求输入的音频最大幅度=。超过此幅度，则输出会产生削波失真。图3.2.1 前置放大器电路3.2.2 三角波产生电路对D类音频功率放大器来说，三角波信号是用来作为载波信号，三角波的频率是一个重要参数，理论分析表明，载波频率越高，功率放大器的输出高频干扰越容易滤除，因此应尽可能提高载波频率即三角波的频率，这样既可以减少音频信号失真，降低THD，又可简化后端滤波器设计，但提高三角波频率的同时也会导致开关电路中功率管的
42、开关频率升高，大大增加功率管的开关损耗，造成D类音频功率放大器的效率下降。根据取样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，即：,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的510倍；采样定理又称奈奎斯特定理。当音频频率上限为20KHz时，开关频率最低为40KHz，对高保真系统来说，载波的频率应不低于200KHz，实际电路中，考虑器件的工作频率限制，三角波载波信号的频率和音频输入信号的频率一般满足如下关系：三角波频率=（1020）倍音频信号频率。此外，三角波信号要有稳定的幅度，否则，调制后的PWM信号会产生变形
43、，从而增大噪声，降低系统的保真度，一般来说，三角波信号的幅度最好有2V。本文的三角波产生电路采用运算放大器TLC4502及高速精密电压比较器LM311来组成。电路原理图如图3.2.2 所示。 图3.2.2 三角波产生电路TLC4502不仅具有较宽的频带，而且可以在较低的电压下满幅输出，既保证能产生线性良好的三角波，而且可达到发挥部分对功放在低电压下正常工作的要求。载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路的实现，选择150 kHz 的载波，可以满足采样定理。在5V单电源供电时，将TLC4502引脚端6和LM311引脚端3的电位调整为2.5V（调节），同时设定输出的对称三角波幅度为1V（=2V
44、）。若选定为100，并忽略比较器高电平时的压降，则的求解过程如下：， 取为39。选定工作频率为，并设定，则电容的计算过程如下：对电容的恒流充电或放电电流为：则电容两端最大电压值为： 其中为半周期，。的最大值为2V，则 取=220pF,采用可调电位器。使振荡频率在左右有较大的调整范围。3.2.3 比较器电路比较器电路是D类音频功率放大器中非常重要的一部分，它用来比较音频信号和三角波载波信号，产生PWM脉冲信号。对输出的PWM信号来说，由于其脉宽变化反映音频信号的信息，因此比较器需要具有非常小的分辨率，以正确比较音频信号和三角波信号。同时，由于PWM脉冲信号的高/低电平控制桥式输出结构中功率开关管
45、的通/断，因此其高低电平之间的转换时间要短，否则输出到扬声器的信号会出现明显的交越失真，使还原的音频信号产生比较大的失真。当比较器的正负输入之差为正时，比较器输出为高电平();为负时，比较器的输出为低电平()。但是实际的电路实现中存在不可避免的误差，高低电平的转换存在一个对应于输入电平中间点的亚稳态区域，尽量减小亚稳区的宽度以提高比较器的可靠度和性能。比较器的增益定义了输出能够在两个二进制状态之间转换的最小的输入变化量(精度)。因此为了提高转换精度，需要尽量提高比较器的增益。另外输入失调电压也是限制比较器对调制系统性能影响较大的指标之一。比较器的动态特性方面，输入激励和输出转换之间的时延称为比
46、较器的响应时间，这个输入激励和输出响应之间的时延称为比较器的传输时延。比较器的传输时延随输入幅度的变化而变化，较大的输入将使时延较短，输入电平会增大到一个上限，即使再增大输入电平也无法对时延产生影响，这时的电压的变化称为摆率。当输入信号的幅度较小以至于接近比较器的最小输入电压差时，主要关注的是小信号指标即传输延时;当输入信号的幅度较大时，比较器进入大信号模式，由于电容的充放电的限制，将出现摆率限制。在PWM调制的系统中，对比较器输入差分信号来说，这两种情况都会出现，因此要响应时间和摆率兼顾。作为信号通路上的关键元件之一，对于噪声的考虑跟输入运放和积分器是类似的，需采取有效的措施降低比较器中噪声的影响，并相应提高电源电压抑制比。基于以上考虑，本文所采用的比较器电路选用LM311精密、高速比较器芯片，电路如图3.2.3所示，因供电为单电源，为给提供的静态电位，取，4个电阻均取。由于三角波，所以要求音频信号的不能大于2V，否则会使功放产生失真。 图3.2.3 比较器电路3.2.4 驱动电路对于驱动电路来说，首先必须具有足够的驱动能力，从而快速的给功率开关管的寄生电容充放电，达到开关功率开关管的目的。本文的驱动电路原理图如图3.2.4所示。将PWM信号整形变换成互补对称的
