D类功放毕业论文(2)

临沂大学理学院2012届本科毕业论文（设计）

图1 功率放大器电路组成框图

（1）前置放大器的组成.前置放大器具有双重功能：它要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；还要进行各种音质控制，以美化声音.这些功能由均衡放大、音源选择、输入放大和音质控制等电路来完成.

○1音源选择.音源选择电路的功能是选择所需的音源信号送入后级，同时关闭其他音源通道.各种音源的输出是各不相同的，通常分为高电平与低电平两类.调谐器、录音座、CD唱机、VCD/DVD影碟机等音源的输出信号电平达50～500mV，称为高电平音源，可直接送入音源选择电路；而动圈式和动磁式电唱机的输出电平仅为0.5～5mV，称为低电平音源，须经均衡放大后才能送入音源选择电路.线路输入端又称为辅助输入端，可增加前置放大器的用途和灵活性，供连接电视信号和其他高电平音源之用.

○2输入放大.输入放大器的作用是将音源信号放大到额定电平，通常是1V左右.输入放大器可设计为独立的放大器，也可在音质控制电路中完成所需要的放大.

○3音质控制.音质控制的目的是使音响系统的频率特性可以控制，以达到高保真的音质；或者根据聆听者的爱好，修饰与美化声音.有时还可以插入独立的均衡器，以进一步美化声音.音质控制包括音量控制、响度控制、音调控制、左、右声道平衡控制、低频噪声和高频噪声抑制等.

（2）功率放大器的组成.虽然功率放大器的电路类型很多，但基本上都由激励级、输出级和保护电路所组成.

○1激励级.激励级又可分为输入激励级和推动激励级，前者主要提供足够的电压增益，后者还需提供足够的功率增益，以便能激励功放输出级.

○2输出级.输出级的作用是产生足够的不失真输出功率.为了获得满意的频率特性、谐波失真和信噪比等性能指标，可在输出级与激励级之间引入负反馈.

○3保护电路.保护电路用来保护输出级功率管和扬声器，以防过载损坏.此外，一个完备的高保真功率放大器，还必须设置直流稳压电源及电平显示电路等.

2.4 对功率放大器的基本要求

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（1）输出功率要大.为了得到足够大的输出功率，功放管的工作电压和电流接近极限参数.功放管集电极的最大允许耗散功率与功放管的散热条件有关，改善功放管的散热条件可以提高它的最大允许耗散功率.在实际使用中，功放管都要按规定安装散热片.

（2）效率要高.扬声器获得的功率与电源提供的功率之比称为功率放大器的效率.功率放大器的输出功率是由直流电源提供的，由于功放管具有一定的内阻，所以它会有一定的功率损耗.功率放大器的效率越高越好.

（3）非线性失真要小.由于功率放大器中信号的动态范围很大，功放管工作在接近截止和饱和状态，超出了特性曲线的线性范围，必须设法减小非线性失真.

3 D类功放的特点与电路组成 3.1 功放的分类及特点

传统的功率放大器主要有A类（甲类）、B类(乙类)、AB类（甲乙类），除此之外，还有工作在开关状态下的D类（丁类）功放.

A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器.其晶体管总是工作在放大区，并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性放大区域.它的优点是输出信号的失真比较小.缺点是输出信号的动态范围小，效率低，理想情况下的效率为50%.考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损耗，A类功率放大器的效率仅为20%左右

[1-2]

.如图2

图2 A类功放工作曲线

B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50%，因为其晶体管只有在输入信号的正半周期工作在放大区，在输入信号的负半周是截止的.

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它的优点是在理想的情况下其效率为78.5%，比A类提高了很多.其缺点是非性失真比A类功放大，而且会产生交越失真，增加噪声.如图3

图3 B类功放工作曲线

AB类功率放大器是以两类的结合，是每个功率放大器的导通时间在50%—100%，此类功率放大器流行过一段时间，它兼顾了失真与效率两方面的性能指标.在设计该功率放大器是要设置晶体管的静态偏置电路.使其工作在甲乙类状态，这类放大器的失真要比乙类的小，但其效率比乙类功放要低一些.

如图4

图4 AB类功放工作曲线

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3.2 传统功放与D类功放的比较

功率消耗在所有线性输出级，因为产生输出电压vout的过程中不可避免地会在至少一个输出晶体管内造成非零的ids和vds.功耗大小主要取决于对输出晶体管的偏置方法.

A类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流（dc）电流源，能够提供扬声器需要的最大音频电流.A类放大器输出级可以提供优良的音质，但功耗非常大，因为通常有很大的dc偏置电流流过输出级晶体管（这是我们不期望的），而没有提供给扬声器（这是我们期望的）.

B 类放大器拓扑结构没有dc偏置电流，所以功耗大大减少.其输出晶体

管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流.由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗.但是B类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差（交越失真）.

A/B 类放大器是A类放大器和B类放大器的组合折衷，它也使用dc偏置

电流，但它远小于单纯的A类放大器.小的dc偏置电流足以防止交越失真，从而能提供良好的音质.其功耗介于A类放大器和B类放大器之间，但通常更接近于B类放大器.与B类放大器电路类似，A/B类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流.

不幸的是，即使是精心设计A/B类放大器也有很大的功耗，因为其中等

范围的输出电压通常远离正电源或负电源.由于漏源极之间的电压降很大，所以会产生很大的瞬时功耗ids×vds.D类放大器由于具有不同的拓扑结构，其功耗远小于上面任何一类放大器.D类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲.这种波形有利于降低功耗，因为当输出晶体管在不导通时具有零电流，并且在导通时具有很低的vds，因而产生较小的功耗ids×vds .

3.3 D类功放基本结构

D类功放的电路组成可以分为三个部分：PWM调制器、脉冲控制的大电流开关放大器、低通滤波器.电路结构组成如图5所示

[5-8]

.

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(a) D类功放简图

数字音频输入数字内插滤波器PWM调制器模拟音频输入等比特调制器D类放大驱动开关式功放LC网络低通滤波器比较器高频振荡(几百kHz)三角波发生器PWM信号 (b) D类功放内部结构

图5 D类功放的组成

第一部分为调制器，最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成.把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端.当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平.若音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1：1的方波.当有音频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1：1；负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于1：1.这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为PWM（Pulse Width Modulation脉宽调制）或PDM（Pulse Duration Modulation脉冲持续时间调制）波形.音频信息被调制到脉冲波形中.

第二部分就是D类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号.能够输出的最大功率

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