D 类高效音频功率放大器设计与实现

只看该作者 · 2019-6-22 15:09

随着便携式电子产品的普及，D 类音频放大器以高效率、小体积的优点受到市场的青睐。**设计了一款经典的
D 类高效率音频功率放大器。该系统主要由前级放大电路、带通滤波电路、PMW 调制电路、驱动电路、功率放大电路、低通
滤波电路组成。经过调试系统整体性能良好，效率超过 90%。

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音频功率放大器是 DVD、MP3 播放器、电脑等多
媒体电子产品中应用最广泛的组件之一。传统的音频
放大器主要有 A 类、B 类和 AB 类放大器电路。A 类功
放的保真度好，但是效率较低，一般低于 50%；B 类功
放效率较高，理想达到 78.5%，但是存在较为严重的失
真；AB 类功放吸取了 A 类功放和 B 类功放的优点，理
想效率可达 78.5%[1]，广泛应用于音频功率放大电路
中。但 AB 功放功率耗散较大，需要配置散热器。随着
科技的发展，人们要求便携式多媒体电子产品具有更
小的外观和更长的使用时间，AB 类功放固有的特点限
制了其进一步的发展应用

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近年来，一种高效的音频放大器 -D 类功率放大
器进入了人们的视野。D 类功放是指放大元件处于开
关工作状态的一种放大模式。在没有信号输入时，放大
器处于截止状态，不消耗电能。工作的时候，靠输入信
号使晶体管进入到饱和状态，晶体管的作用相当于一
个接通的开关，把电源与负载连接起来。理想状态下的
晶体管由于没有饱和压降而不耗电，但是实际上晶体
管总会存在很小的饱和压降而消耗一部分电能。这种
耗电只与充当开关的管子的特性相关，而和输出信号
的大小无关，所以很适合超大功率的场合。在理想情况
下，D 类功放的效率能达到 100%。与 AB 类功放相比，
D 类功放具有节能、电源使用率高的特点，使得 D 类功
放在便携式设备方面的应用有着极大的优势，受到市
场的青睐。

只看该作者 · 2019-6-22 15:11

D 类音频功率放大器主要由话筒、前级放大电路、
滤波电路、PMW 信号调制电路、驱动电路、功率放大电
路、LC 低通滤波电路和喇叭等部分构成，
其中话筒主要负责将声音信号转化为电信号，本质上
是起到了传感器的作用。前级放大电路和滤波电路主
要负责信号的处理，滤除杂波并使信号可以被调制。

只看该作者 · 2019-6-22 15:11

PWM 调制电路是本设计的一个重点，负责对模拟信号
进行调制，将模拟信号的幅值转化为脉冲的宽度，相当
于一个模数转换的过程。驱动电路用于驱动后级场效
应管。功率放大电路由 H 桥组成，MOS 管的开关由驱
动电路输出的 PWM 信号控制。LC 低通滤波器能够将
波形还原，相当于数模转换功能，还原后的信号驱动喇
叭发声。

只看该作者 · 2019-6-22 15:11

D 类音频功率放大器系统框图

只看该作者 · 2019-6-22 15:12

前置放大电路
驻极体话筒输入的音频信号一般都比较微小，为
了方便后级对音频信号进行调制，必须对信号进行放
大。本设计采用由运放 LF353 构成的两级反向比例电
路。其中第一级固定增益 20 倍，第二级增
益可调，调节范围为 15-25 倍。这种电路可以实现对增
益的精确控制，输入阻抗大，输出阻抗小。

只看该作者 · 2019-6-22 15:12

前置放大电路

只看该作者 · 2019-6-22 15:13

输入的音频信号常有干扰，为了去除干扰，需要对
音频信号进行滤波。人耳能够听到的音频范围为
20Hz—20KHz，所以采用由低通滤波器和高通滤波器
级联而成的带通滤波器对输入信号进行滤波。由于 RC
有源滤波器具有截止频率调节方便；通带内可提供一
定的增益；输出阻抗低，便于级联为高阶滤波器，或由
低通及高通滤波器组合为带通滤波器等优点，同时为
了能够在通频带内获得最大的平坦响应，本设计采用
巴特沃斯型 RC 有源滤波器, 通频带的频率为 20Hz—
20KHz。

只看该作者 · 2019-6-22 15:14

带通滤波电路

只看该作者 · 2019-6-22 15:33

PWM（脉宽调制）技术就是把模拟音频信号的幅
值调制为矩形脉冲的宽度。通过傅立叶变换，音频信号
可以分解为一系列频率的正弦波信号叠加。将正弦波
与调制信号（常用三角波）进行比较，得到 PWM 信号。PWM 信号是一个数字脉冲信号，其脉宽
的变化反映输入正弦信号的全部信息，在正弦波的正
半周时，正脉冲宽，负脉冲窄；在正弦波的负半周时，正
脉冲窄，负脉冲宽。

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PMW 信号产生原理

只看该作者 · 2019-6-22 18:23

最简单实用的脉宽调制电路是采用一个比较器，
比较器一端输入原始的音频信号，而另一端则输入载
波信号。载波信号选用最常用的双边三角波信号。
对 PWM 信号进行了傅立叶分析，表达式如下

只看该作者 · 2019-6-22 18:23

经过三角波采样的音频信号频谱中
除了输入信号之外，包含了很多高频分量，包括载波信
号、载波谐波信号，以及输入信号与载波、输入信号谐
波与载波谐波相互作用得到的边带信号，这些高频分
量必须在输出级中通过低通滤波器滤除。

只看该作者 · 2019-6-22 18:24

三角波的频率越高，功率放大器输出级的
高频干扰越容易被滤除，输出波形的失真度则越小[3][4]；
但是功率放大器的开关频率也随之升高，这就大大增
加了开关器件的损耗，使得功率放大器的效率降低。因
此，一般情况下载波信号的频率和被调制信号的满足
以下 fs=(10-20)ft，其中 fs 为载波信号的频率，ft 为被调
制信号的频率