D类音频功率放大器的研究与实现

文章摘要：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。www.88dzw.com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

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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。

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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。

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