数字功率放大电路工作原理与功率损耗实例分析

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1、数字功率放大电路工作原理与功率损耗实例分析韩跃平，李瑞红，毕满清，王黎明（中北大学电工电子国家示范实验中心，山西太原030051）摘要：当前国内高校的“电子线路”课程无论是从教材编写还是课堂讲授中的功率放大电路仍然以模拟功放为主，对数字功放讲述甚少，而现实中电子产品尤其是笔记本电脑、等便携式电子产品大量采用了低功耗高集成度的数字开关门电路芯片，造成大学生课堂学习与电子技术发展实际的脱节。在此结合数字集成开关门（CMOS）电路的发展，详细分析了D类功率放大电路的工作原理；理想状态下，D类功率放大电路的理论效率可达到100%，远高于A

2、B类模拟功率放大电路的78.5%。推导了D类功率放大电路CMOS反相器的功率损耗与芯片工作的时钟频率、栅极集总电容值以及芯片所需的供电电压的平方成正比，并以当前主流的集成度达8000万个门电路（2inch2上108个门）的IBM笔记本电脑的CPU芯片为实际案例进行了总功耗分析。实践表明，将数字功率放大电路引入大学生课堂教学，可以贴近实际，增强感性认识，提高课堂教学质量。.jyqkplificationcircuitHANYueping，LIRuihong，BIManqing，OScircuit，theplificationcirc

3、uitisanalyzedindetail.ThetheoreticalefficiencyofD?classpoplificationcircuitcanreach100%inidealcondition，andishigherthanAB?classanalogpoplificationcircuitof78.5%.Thepoplificationcircuitisproportionaltothepedcapacitanceandsquareofthepoptionisanalyzedbytakingthemainstrea

4、mCPUchipofIBMnotebookputerasthepracticalinstance，thechipisintegratedilliongatecircuits.Thepracticalre?sultsshoplificationcircuitintroducedintothecollegestudentsclassroomteachingcanclosetolifereali?ty，enhanceperceptualknoproveclassroomteachingquality.Keyplifier；P3播放器，工

5、作必备的手提笔记本，以及期望中的便携式电视机与DVD，车载电器等，极大地提升了人们的生活质量。便携式电子产品的一个重要发展特征是采用了低功耗高集成度的数字开关门电路芯片，以IBM的CPU集成芯片为例，目前集成度达到8000万个门电路（2inch2上108个门）。所有这些便携式电子产品的一个共同点就是都需要大功率的音频输出，都需要电池供电。目前，上述便携式电子产品大多采用了新型D类功率放大电路，其最大特点就是能够在保持最低的失真情况下得到高的效率[1?3]。同时，诸如CPU运算速度仍然缓慢、采用锂电池供电的大屏幕待机时间过短等缺点也

6、非常明显。因此，制约便携式电子产品发展的一个首要因素就是其输出功率损耗与使用的电池技术，并直接与人们关注的芯片工作主频（时钟频率）、待机时间（取决于静态功率损耗）与使用时间（取决于动态功率损耗）几个指标相关。鉴于目前国内“电子技术”高校课堂教学仍然以低频段介绍A类、B类及AB类模拟功率放大电路[4?10]、高频段介绍C类为主，事实上已经远远滞后于电子技术的发展实际，可检索到的D类功率放大电路文献则主要讨论应用于具体产品中的实际电路[11?13]，无论对高校师生还是工程技术人员，都缺乏对D类功放基本原理直接学习的渠道。本文以单个数字

7、开关门电路为例，详细分析D类功率放大电路工作原理与总功率损耗，为高校师生全面掌握集成门电路芯片的技术发展提供一定的基础理论参考。1单个NMOS管门电路1.1门电路组成（1）电路组成20世纪80年代以前，受限于P沟道MOS管工艺限制等因素，集成芯片内部的开关门电路仍是由单个NMOS管构成。NMOS管的开关特性与晶体三极管类似但远优于三极管。反相器的基本电路如图1所示。C等效为NMOS门驱动的同类负载门电路的栅极电容集总。1.2工作原理工作于开关状态的NMOS门电路输入信号ui是周期为T的方波时钟信号，T1时间为低电平，T2时间为高电

8、平，T1=T2=T2。输入信号波形如图2所示。（1）输入信号为低电平T1期间，，NMOS管截止，等效为断开的开关，电源VDD通过RD给电容C充电。（2）输入信号为高电平T2期间，，NMOS管导通，等效导通电阻为RON，其值很小，电容C通过电阻RON