D类功放毕业论文(3)

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有负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定.

第三部分为由LC网络构成的低通滤波器.其作用是将大功率PWM波形中的声音信息还原出来.利用一个低通滤波器，可以滤除PWM信号中的交流成份，取出PWM信号中的平均值，该平均值即为音频信号.但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用LC低通滤波器.当占空比大于1：1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被恢复出来.D类功放的工作原理见图6 .

原音频信号波形比较器上的两个波形比较器输出的PWM信号 LPF后的恢复信号波形

图6 D类功放原理图

3.4 D类功放的特点

（1）效率高.在理想情况下，D类功放的效率为100%（实际效率可达90%左右）.B类功放的效率为78.5%（实际效率约50%），A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）.这是因为D类功放的放大元件是处于开关工作状态的一种放大模式.无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电.工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通.理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能.

（2）功率大.在D类功放中，功率管的耗电只与管子的特性有关，而与信号

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输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合，输出功率可达数百瓦.

（3）失真低.D类功放因工作在开关状态，因而功放管的线性已没有太大意义.在D类功放中，没有B类功放的交越失真，也不存在功率管放大区的线性问题，更无需电路的负反馈来改善线性，也不需要电路工作点的调试.

（4）体积小、重量轻.D类功放的管耗很小，小功率时的功放管无需加装体积庞大的散热片，大功率时所用的散热片也要比一般功放小得多.而且一般的D类功放现在都有多种专用的IC芯片，使得整个D类功放电路的结构很紧凑，外接元器件很少，成本也不高.

3.5 D类功放的要求

（1）对功率管的要求.D类功放的功率管要有较快的开关响应和较小的饱和压降.D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同.此时功放管的线性已没有太大意义，更重要的是开关响应和饱和压降.由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好.另外，整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗.所以，管子的饱和压降小不但效率高，且功放管的散热结构也能得到简化.若干年前，这种高频大功率管的价格昂贵，限制了D类功放的发展，现在小电流控制大电流的MOSFET已在Hi-Fi功放上得到广泛应用

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（2）对PWM调制电路的要求. PWM的工作原理图如图7

图7 PWM的工作原理

PWM调制电路也是D类功放的一个特殊环节，要把20kHz以下的音频调制成PWM信号，三角波的频率至少要达到200kHz（三角波的频率应在音频信号频率的10~20倍以上）.当频率过低时要达到同样要求的THD（总谐波失真）标准，则对

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无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂.如果三角波的频率高，输出波形的锯齿小，就能更加接近原波形，使THD小，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来构成低通滤波器，造价相应降低.但是，晶体管的开关损耗会随频率的上升而上升，无源器件中的高频损耗、射频的聚肤效应都会使整机效率下降.更高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHz.而在实际的中小功率D类数字功放中，当三角波的频率达到500kHz以上时，也可以直接由扬声器的音圈所呈现的电感来还原音频信号，而不用另外的LC低通滤波器

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另外在PWM调制器中，还要注意到调制用的三角波的形状要好、频率的准确性要高、时钟信号的抖晃率要低，这些参数都会影响到后面输出端由LPF所复原的音频信号的波形是否与输入端的原音频信号的波形完全相同，否则会使两者有差异而产生失真.

（3）对低通滤波器的要求.位于驱动输出端与负载之间的无源LC低通滤波器也是对音质有重大影响的一个重要因数.该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱.严格地讲，设计时应把音箱阻抗的变化一起考虑进去，但作为一个功放产品指定音箱是行不通的，所以D类功放与音箱的搭配中更有发烧友驰骋的天地.实际证明，当失真要求在0.5%以下时，用二阶Butterworth最平坦响应低通滤波器就能达到要求.如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑.近年来，一般应用的D类功放已有集成电路芯片，用户只需按要求设计低通滤波器即可.

（4）D类功放的电路保护.D类功率放大器在电路上必须要有过电流保护及过热保护.此二项保护电路为D类功率IC或功率放大器所必备，否则将造成安全问题，甚至伤及为其供电的电源器件或整个系统.过电流保护或负载短路保护的简单测试方法：可将任一输出端与电源端（Vcc）或地端（Ground）短路，在此状况下短路保护电路应被启动而将输出晶体管关掉，此时将没有信号驱动喇叭而没有声音输出.由于输出短路是属于一种严重的异常现象，在短路之后要回到正常的操作状态必需重置（Reset）放大器，有些IC则可在某一延迟（Delay）时间后自动恢复.至于过热保护，其保护温度通常设定在150°~160°C，过热后IC自动关掉输出晶体管而不再送出信号，待温度下降20°C~30°C之后自动回复到正常操作状态.

（5）D类功放的电磁干扰

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.D类功率放大器必须要解决AB类功率放大器

所没有的EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）问题.电磁干扰是由于D类功率放大器的功率晶体管以开关方式工作，在高速开关及大电流的状况

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下所产生的.所以D类功放对电源质量更为敏感.电源在提供快速变化的电流时不应产生振铃波形或使电压变化，最好用环牛变压器供电，或用开关电源供电.此外解决EMI的方案是使用LC电源滤波器或磁珠（bead）滤波器以过滤其高频谐波.中高功率的D类功率放大器因为EMI太强目前采用LC滤波器来解决，小功率则用Bead处理即可，但通常还要配合PCB版图设计及零件的摆设位置.比如，采用D类放大器后，D类放大器接扬声器的线路不能太长，因为在该线路中都携带着高频大电流，其作用犹如一个天线辐射着高频电磁信号.有些D类放大器的接线长度仅可支持2cm，做得好的D类放大器则可支持到10cm.

4 结论

此次毕业设计是我大学生活重要的一步..通过这次毕业设计，我了解了音频功率放大器的用途及工作原理是对我专业知识和专业基础知识检验和巩固.充分认识了D类功率放大器的基本结构及特点，也让我对音频知识有了更深的认识.但是毕业设计也是暴漏自己专业基础的很多不足之处，比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等.正是这些经验教训使我们对D类放大器的原理有了深刻的理解，对功放有了更深的认识.马上要毕业了，自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中不断学习，努力使自己成为一个对社会有贡献的人.

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参 考 文 献

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致 谢

本文的顺利完成，首先要感谢的是奥巴马老师，从选题到定稿，都是在奥巴马老师的悉心指导下完成的，奥巴马老师学识渊博，对待工作一丝不苟、治学严谨的态度使我不仅在做论文的过程中受益匪浅，更是对我在今后的生活、工作和学习都将具有长远的指导意义.

将近四年的大学生活，让我学到了很多，收获了很多.能一路走来，我感谢我的同学转眼四年仿佛就在昨天,四年里大家一起生活、学习,让我在这个远离家乡的城市有着家一般的融洽,你们给了我最纯正的友情,最真诚的帮助.在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

2012年5月15日

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