d类放大器选型指南

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1、D类放大器选型指南作者：鉴青孙俊杰    时间：2008-08-12    来源:电子设计应用           D类放大器是当前电子设计领域的一种热点技术，在便携式多媒体、家庭影院、汽车音响以及电视等领域应用广泛。本文对其工作原理进行了比较详细的描述，并对当前市场的主流产品中摘取部分产品，对其特点和应用进行讨论，以期与读者共飨。高效率的D类放大器   D类放大器是在15至20年前出现的，它的效率一般可以达到85%，而传统的AB类放大器的最高效率也只有78%。因此，D类放大器被越来越多地用来取代AB类

2、放大器。D类放大器高效率的根本原因在于它完全处于开关工作状态，输出级功率管的功耗非常小，因而可以把取自电源的功率几乎全部地传送给负载(扬声器或耳机)。D类放大器的高效率给产品设计带来一系列好处，包括降低了对功率管的要求、降低了散热器尺寸等，尤其是可以延长便携式产品中电池的供电时间。   与之相比，传统的AB类放大器的效率就比较低。虽然AB类放大器的静态偏置点也设置得很低，几乎接近截止状态，但它工作在线性区，输出效率主要受限于它的工作状态。其输出效率可以用图1来解释，图中仅画出了AB类放大器中的一半电路，

3、输出波形vDS0(t)和vDS1(t)中的红色部分表示负载得到的功率，兰色部分表示驱动管消耗的功率。   当没有输入信号的时候，输出级中的电流iD(t)=0，所以，放大器没有功耗。图(a)为稍有一点输入信号时的驱动管漏极电压vDS0(t)和漏极电流iD0(t)。这时输出级就开始有电流，但由于电源电压几乎全部降落在驱动管的源漏之间，所以输出级的效率仍然接近于零。只有当输入信号很大，使输出级几乎要进入饱和限幅的时候，AB类放大器才达到它的最大效率，这就是图(b)中的情况。我们可以根据正弦信号的波形，计算出这

4、时输出级的效率大约为78%。但为了反映出音乐的强度感，音乐中的大多数信号电平处于中等偏下的水平。所以，AB类放大器的平均效率一般在50%以下。而D类放大器的高效率与信号电平没有太大关系，在输入信号电平的很大范围内都可以维持很高的输出效率。D类放大器的组成D类放大器的核心技术是所谓的PWM(脉宽调制)，所以，D类放大器的结构也是以PWM为中心的。事实上，D类放大器中包含了许多先进的技术，而且也不断有新的技术加入，因此D类放大器很难有一个固定的结构，我们在这里只给出一种最常见的结构，这就是图2所示的框图。它

5、由输入级、PWM、输出级、反馈网络和LC滤波器构成。我们对这些部件作一简单说明，然后分别作具体的描述。输入级的功能是对输入音频信号进行缓冲，并将它与反馈信号进行比较，以实现负反馈控制。经过缓冲和负反馈比较之后的音频信号，在经过恰当放大之后，被送到PWM。在与PWM中的三角波进行比较之后，被转换成一连串的矩形波，这时的音频信号就被调制到了矩形波中，变为矩形波中的占空比。接下来把这些矩形波送到输出级，转换成低阻抗的矩形波，但波形没有改变。这个低阻抗的矩形波在送到负载之前要经过一个低通滤波器。这时，输出波形中

6、由三角形载波所产生的高频成分遇到了一个高阻抗回路而无法产生高频电流，因而也无法影响到负载端。放大器中的反馈网络是一个低通滤波器，所以它只把输出级输出波形中的音频成分送到输入级，与输入信号进行比较。由于负反馈的原因，输出级矩形波中的低频成分总是与D类放大器的输入信号vi(t)保持一致。PWMPWM(脉宽调制)的意思是把输入信号的幅度转变为矩形波的占空比，这样，输入信号中的信息就被表示为矩形波中的不断变化的宽度。这个PWM操作是通过对两个信号电平的比较来完成的，如图3所示。图中上面的两个波形分别为输入信号v

7、i(t)和三角波vC(t)。当vi(t)大于vC(t)时，PWM的输出vPWM(t)为高电位，反之为低电位。这样，输入音频信号的幅度就变成了PWM输出信号中的方波宽度。这里的关键是三角波vC(t)的周期和线性度应该有很小的误差，比较器应该有很大的增益和很小的磁滞，否则会引起非线性而增大谐波失真。但是，当我们把很好的音频信号vi(t)变成了这么丑陋的方波vPWM(t)之后，我们的问题是，用这个方波还能还原出音频信号吗？回答是肯定的。为此，我们可以从频域上来解释。由于分析频谱需要使用FFT，所以是在离散时域

8、中进行的。实际上，只要采样率足够高，我们同样可以得出与连续时域中非常接近的结果。按照PWM常用的参数值，我们把三角波的重复频率设定为256kHz(一般把载波频率设定为信号通带的十多倍)，音频信号使用了一个16kHz的正弦波，并且使音频信号和三角波的幅度相等(即100%的调制度)，采样率用16384kHz。对于FFT，采用65536点和海宁窗。整个频谱测试是用C代码仿真完成的，测试条件和测试结果列在表1中，并用图4画出了16kHz正弦波的PW