D 类功率放大器的设计与实现

只看该作者 · 2019-8-30 12:05

传统音频功率放大器主要是指线性放大器，而随着人们的居住条件的改善，传统的音频功率放大器效率低、体积大很
难满足人们的要求，为了满足人们不断对高保真音乐的追求，D 类功率放大器应运而生，由于它具有较高的效率、体积小、
易集成化等诸多优点已经成了便携式音频市场的新宠，系统以高效率音频功率放大器为核心，输出开关管采用高速
VMOSFET 管，连接成互补对称 H 桥式结构，滤波器采用两个相同的四阶 Butterworth 低通滤波器。最大不失真输出功率大
于 1W，平均效率可达到 78％左右，兼有输出 1:1 双变单电路，功率测量。

只看该作者 · 2019-8-30 12:06

D 类放大器（数字音频功率）是一种将输入模拟音频信号或
PCM 数字信息变换成 PWM（脉冲宽度调制）或 PDM（脉冲密度
调制）的脉冲信号,然后用 PWM 的脉冲信号去控制大功率开关
器件通／断音频功率放大器。 D 类放大或数字式放大器，是利用
极高频率的转换开关电路来放大音频信号的［1］，经常被用于高
效率的音频放大器中。在高保真音响设备和更高档的家庭影院
设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率，这时，低失真、
高效率的音频放大器就显得颇为重要，本文从实用角度出发，设
计了一款低失真、高效率的音频放大器，与传统放大器相比，本
放大器在效率、体积以及功率消耗方面具有明显的优势，它产生
的热量小且为传统放大器的一半，其效率在 78％以上，而传统
的放大器效率仅在 50％左右

只看该作者 · 2019-8-30 12:07

本系统由高效率功率放大器（D 类音频功率放大器）、信号
变换电路、外接测试仪表组成，系统框图如图

只看该作者 · 2019-8-30 12:12

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 类功率放大器由 PWM 电路、开关功放电路及输出滤
波器组成，原理框图如图

只看该作者 · 2019-8-30 13:51

D 类功率放大器的工作过程是：当输入模拟音频信号时，模
拟音频信号经过 PWM 调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频
率 PWM 脉冲信号，控制开关单元的开／关，经脉冲推动器驱动脉
冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器工作

只看该作者 · 2019-8-30 13:52

比较器电路采用低功耗、单电源工作的双路比较器芯片
LM311 构成。此处为提高系统效率，减少后级 H 桥中 CMOS 管不
必要的开合，用两路偏置不同的三角波分别与音频信号的上半部
和下半部进行比较，当正端上的电位高于负端的电位时，比较器输
出为高电平，反之则输出低电平［6］。这样产生两路相互对应的 PWM
波信号给后级驱动电路进行处理，双路比较电路如图

只看该作者 · 2019-8-30 13:54

此处值得注意的是将上半部比较处理为音频信号接比较器
的负向端、三角波信号接正向端；下半部比较则相反，这样形成
相互对应，在音频信号的半部形成相应 PWM 波时，另半部为低

电平，可保征后级 H 桥中的 CMOS 管没有不必要的开合，以减少
系统功率损耗［8］。电路以音频信号为调制波，频率为 70kHz 的三
角波为载波，两路信号均加上 2．5V 的直流偏置电压，通过比较器
进行比较，得到幅值相同，占空比随音频幅度变化的脉冲信号。

只看该作者 · 2019-8-30 14:15

LM311 芯片的供电电压为 5V 单电源，为给 V＋＝V－提供 2．5V
的静态电位，取 R10＝R11，R8＝R9，4 个电阻均取 10kΩ。由于三角
波 Vp－p＝2V，所以要求音频信号的 Vp－p 不能大于 2V，否则会使
功放产生失真。由于比较器芯片 LM311 的输出级是集电极开路结
构，输出端须加上拉电阻，上拉电阻的阻值采用 1kΩ 的电阻

只看该作者 · 2019-8-30 14:16

如图 4 所示。将 PWM 信号整形变换成互补对称的输出驱动信
号，用 CD40106 施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，
送给由晶体三极管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保
证了快速驱动。驱动电路晶体三极管选用 9012 和 9014 对管［9］。
H 桥互补对称输出电路对 VMOSFET 的要求是导通电阻
小，开关速度快，开启电压小。因输出功率稍大于 1W，属小功率
输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对
管，IRF9630 和 IRFZ48N VMOS 对管的参数能够满足上述要
求，故采用之。实际电路如图 4 所示。本设计采用 4 阶 Butterworth 低通滤波器