【儀器儀表商情網(wǎng) 技術(shù)分析】D類放大器（數(shù)字音頻功率）是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成PWM（脈沖寬度調(diào)制）或PDM（脈沖密度調(diào)制）的脈沖信號，然后用PWM的脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器。D類放大或數(shù)字式放大器，是利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號的，經(jīng)常被用于高效率的音頻放大器中。在高保真音響設(shè)備和更高檔的家庭影院設(shè)備中，往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率，這時，低失真、高效率的音頻放大器就顯得頗為重要，本文從實(shí)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款低失真、高效率的音頻放大器，與傳統(tǒng)放大器相比，本放大器在效率、體積以及功率消耗方面具有明顯的優(yōu)勢，它產(chǎn)生的熱量小且為傳統(tǒng)放大器的一半，其效率在78%以上，而傳統(tǒng)的放大器效率僅在50%左右。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 總體設(shè)計(jì)分析

本系統(tǒng)由高效率功率放大器（D類音頻功率放大器）、信號變換電路、外接測試儀表組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

1．2 D類功放的設(shè)計(jì)

D類放大器的架構(gòu)有對稱與非對稱兩大類，在此討論的D類功放針對的是對功率、體積都非常敏感的便攜式應(yīng)用，因此采用全電橋的對稱型放大器，以充分利用其單一電源、系統(tǒng)小型化的特點(diǎn)。D類功率放大器由PWM電路、開關(guān)功放電路及輸出濾波器組成，原理框圖如圖2所示。

圖2 D類音頻功率放大器組成框圖

采用了由比較器和三角波發(fā)生器組成的固定頻率的PWM電路，用輸入的音頻信號幅度對三角波進(jìn)行調(diào)制，得到占空比隨音頻輸入信號幅度變化的方波，并以相反的相位驅(qū)動上下橋臂的功率管，使功率管一個導(dǎo)通時另一個截止，再經(jīng)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號，推動揚(yáng)聲器發(fā)聲。采用全橋的D類放大器可以實(shí)現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并可減少干擾。全橋電路負(fù)載上的電壓峰峰值接近電源電壓的2倍，可采用單電源供電。實(shí)現(xiàn)時，通常采取2路輸出脈沖相位相反的方法。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2．1 原理分析

D類功率放大器的工作過程是：當(dāng)輸入模擬音頻信號時，模擬音頻信號經(jīng)過PWM調(diào)制器變成與其幅度相對應(yīng)脈寬的高頻率PWM脈沖信號，控制開關(guān)單元的開/關(guān)，經(jīng)脈沖推動器驅(qū)動脈沖功率放大器工作，然后經(jīng)過功率低通濾波器帶動揚(yáng)聲器工作。

2．2 比較器

比較器電路采用低功耗、單電源工作的雙路比較器芯片LM311構(gòu)成。此處為提高系統(tǒng)效率，減少后級H橋中CMOS管不必要的開合，用兩路偏置不同的三角波分別與音頻信號的上半部和下半部進(jìn)行比較，當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端的電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。這樣產(chǎn)生兩路相互對應(yīng)的PWM波信號給后級驅(qū)動電路進(jìn)行處理，雙路比較電路如圖3所示。

圖3 比較器電路

此處值得注意的是將上半部比較處理為音頻信號接比較器的負(fù)向端、三角波信號接正向端；下半部比較則相反，這樣形成相互對應(yīng)，在音頻信號的半部形成相應(yīng)PWM波時，另半部為低電平，可保征后級H橋中的CMOS管沒有不必要的開合，以減少系統(tǒng)功率損耗。電路以音頻信號為調(diào)制波，頻率為70kHz的三角波為載波，兩路信號均加上2．5V的直流偏置電壓，通過比較器進(jìn)行比較，得到幅值相同，占空比隨音頻幅度變化的脈沖信號。

LM311芯片的供電電壓為5V單電源，為給V＋＝V－提供2．5V的靜態(tài)電位，取R10＝R11，R8＝R9，4個電阻均取10kΩ。由于三角波Vp－p＝2V，所以要求音頻信號的Vp－p不能大于2V，否則會使功放產(chǎn)生失真。由于比較器芯片LM311的輸出級是集電極開路結(jié)構(gòu)，輸出端須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采用1kΩ的電阻。

2．3 驅(qū)動電路以及互補(bǔ)對稱輸出和低通濾波電路

如圖4所示。將PWM信號整形變換成互補(bǔ)對稱的輸出驅(qū)動信號，用CD40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)運(yùn)用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補(bǔ)對稱式射極跟隨器驅(qū)動的輸出管，保證了快速驅(qū)動。驅(qū)動電路晶體三極管選用9012和9014對管。

H橋互補(bǔ)對稱輸出電路對VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。因輸出功率稍大于1W，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動的對管，IRF9630和IRFZ48NVMOS對管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實(shí)際電路如圖4所示。本設(shè)計(jì)采用4階Butterworth低通濾波器。

圖4 H橋互補(bǔ)對稱輸出及低通濾波電路

對濾波器的要求是上限頻率≥20kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。互補(bǔ)PWM開關(guān)驅(qū)動信號交替開啟Q6和Q8或Q12和Q10，分別經(jīng)兩個4階巴特沃茲濾波器濾波后推動喇叭工作。

3電路測試

3．1 調(diào)試步驟

1）通頻帶的測量：在放大器電壓放大倍數(shù)為10，實(shí)測3dB通帶的上、下邊界頻率值。通頻帶測試時應(yīng)去掉測試用的RC濾波器。

2）最大不失真輸出功率：放大倍數(shù)為10，輸入1kHz正弦信號，用毫伏表測量放大器輸出電壓有效值，計(jì)算最大輸出功率Po－max。3）輸入阻抗：在輸入回路中串入10kΩ電阻，放大器輸入端電壓下降應(yīng)小于50%。

3）效率測量：輸入1kHz正弦波，放大倍數(shù)為10時，使輸出功率達(dá)到500mW，測量功率放大器的電源電流I（不包括測試用變換電路和顯示部分的電流）。要求電源電壓V的范圍為5×（1＋1%）V。效率為：500mW%V×I。

3．2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上的調(diào)試步驟測量，測得數(shù)據(jù)如表1、表2、表3、圖5、圖6所示。

圖5 誤差放大（動態(tài)）

圖6 最大不失真功率測試數(shù)據(jù)

圖5展示了當(dāng)輸入信號的幅值不變，僅改變其頻率，動態(tài)放大誤差效果圖。由圖可知，對于頻帶以外的信號，系統(tǒng)的放大倍數(shù)與輸出幅值有明顯降低。對于當(dāng)信號頻率的升高導(dǎo)致EMI（電磁干擾）增強(qiáng)，可以利用低通濾波器降低干擾。

功率放大器采用5V電源，前置放大器的放大倍數(shù)調(diào)到最大，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)輸入信號的幅值，改變其頻率，測量其最大不失真輸出功率及效率見圖6。對于頻帶以外的信號，功率放大器的最大不失真功率有明顯的降低。若要提高效率，可以降低載波頻率，但輸出電壓的諧波成分及失真增加；若要使輸出電壓非線性失真減少，則需提高PWM調(diào)制信號的頻率。盡管高頻干擾是D類功率放大器現(xiàn)今存在的主要問題，但其高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，以越來越多的受到了人們的重視。

從上面的數(shù)據(jù)可知，功放的效率和最大不失真輸出功率與理論值還有一些差距，其原因有以下幾方面：

1）在功放電路存在靜態(tài)損耗。電路在靜態(tài)下是具有一定的功耗，測試其5V電源的靜態(tài)總電流約為28mA，靜態(tài)功耗為：P損耗＝5×28＝140mW，則這部分的損耗對總的效率影響很大，且對小功率輸出時影響更大。

2）功放輸出電路的損耗，這部分的損耗對效率和最大不失真輸出功率均有影響。H橋的互補(bǔ)激勵脈沖達(dá)不到 理想同步，也會產(chǎn)生功率損耗。

3）濾波器的功率損耗，這部分損耗主要是由電感的直流電阻引起的，功率測量電路的誤差。此外，還有測量儀器本身帶來的測量誤差。