〔大学论文〕D类音频功率放大器（含word文档） .pdf

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1、目 录 摘要 (2) 第一章 引言(4) 第二章 音响的基础知识(5) 1、声音的基本特性(5) 2、音响的结构及参数(5) 3、放大器的技术指标(5) 第三章 放大器的简介 （8） 1、 放大器的种类 （6） (1)A 类放大器 (6) (2)B 类放大器 (6) (3)C 类功率放大器(7) (4)D 类功率放大器(7) 2、 D 类功率放大器的原理(8) 第四章D 类放大器的设计 (10) 1、 一般 D 类功率放大器的组成情况和分类(10) 2、 各单元电路的作用介绍(10) (1)前置放大器(10) (2)脉冲宽度调制 （PWM） 电路(11) (3)三角波发生器(11) (4)驱动

2、控制电路(12) (5)H 桥式功率放大电路（功率输出电路） (12) (6)输出低通滤波器(13) (7)负反馈电路 (14) (8)电平指示电路 (15) (9)音频功率放大器的供电电源(15) 3、 部分电路的结构 （17） (1)死区校正和全桥驱动(17) (2)自举(17) (3)全桥结构(18) 第五章 D 类功率放大器的单元电路设计 （20） 1 前置放大电路 （20） 2 三角波产生电路（20） 3 脉冲调制电路（21） 4 驱动控制电路(22) 5 功率输出电路(22) 6 滤波器电路(23) 7 电平指示电路（音量显示电路） (23) 8 供电电源电路(24) 第六章 D

3、类音频功率放大器的整体电路结构及结论(25) 结论(26) 参考文献(28) 1 附录(29) 摘摘要要 近几十年来在音频领域中，A 类，B 类，AB 类音频功率放大器（额定输出功率） 一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管，晶体管到 集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形式从变压器到 OTL，OCL，BTL 形式过程。其最基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。A 类音 频功率放大器的最高工作效率为 50%， B 类音频功率放大器的最高工作效率为 78.5%， AB 类音频功率放大器的工作效率则介于两者之间。但是无论 A 类，B 类还是 AB

4、类 音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放 动态的语言，音乐时平均工作效率只有 30%左右。音频功率放大器的效率低就意味着 工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够 大的散热器。因此 A 类，B 类，AB 类音频功率放大器效率低，体积大，并不是人们 理想中的音频功率放大器。 在本文中的 D 类音频功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号（PEM）的控 制，使其工作在开关状态，理论上其效率可以达到 100%，但其不足之出在于会产生高 频干扰及噪声，但是若精心设计低通滤波器及合理的选择元器件参数，其音质噪声完 全能够满足人们的需

5、求。本文中具体论述了一种基于晶体管的 D 类音频功率放大器的 设计组成与实现方法。 关键词关键词：D 类音频功率放大器；PWM 调制器；H 桥功率放大器电路。 2 SummarySummarySummarySummary In the audio frequency field in near these decades, As, Bs,and the AB amplifier of power of audio frequency (specified output power ) has been occupying the position of “ ruling “ all the t

6、ime，Several pieces of course such as its experience: The devices used are from the electron tube , the course of the integrated circuit that the transistor reaches; The circuit makes up from in charge of recommending the course onlying to; The form of the circuit is from voltage transformer to OTL,

7、OCL, BTL form course. Its most basic type is an analogue audio frequency power amplifier, its greatest shortcoming is that the efficiency is too low. The supreme working efficiency of theAamplifier of power of audio frequency is 50%, the supreme working efficiency of the B amplifier of power of audi

8、o frequency is 78. 5%, the working efficiency of the AB amplifier of power of audio frequency lies between the two. But no matter As, Bs or the AB amplifier of power of audio frequency, when their output power is smaller than amount output power, efficiency can reduce obviously, broadcast dynamic la

9、nguage , only 30% about working efficiency have on average at the music. Audio frequency power amplifier weak to is it there is quite a lot of electric energy that is transformed into heat energy when working to mean, that is to say , the amplifiers of power of audio frequency of these types should

10、have enough big radiators. So As, Bs and AB power amplifier weak audio frequency have, heavy volume have, audio frequency power amplifier, people of ideal. In D in the article audio frequency power device , power of amplifier modulate the control of the signal (PEM ) by one high-frequency pulse widt

11、h originally, make it work in switch state, efficiency its in theory can up to 100%, but a insufficient one its is it is it can produce high frequency interfere and noise to lie in to appear, but if design the low open wave filter and rational choice components and parts parameter meticulously, its

12、tone quality noise can meet peoples demands. Keyword:Keyword:Keyword:Keyword: D D D D amplifieramplifieramplifieramplifier ofofofof powerpowerpowerpower ofofofof audioaudioaudioaudio frequency;frequency;frequency;frequency; PWMPWMPWMPWM modulatingmodulatingmodulatingmodulating devicedevicedevicedevi

13、ce ; ; ; ; AmplifierAmplifierAmplifierAmplifiercircuitcircuitcircuitcircuit ofofofof powerpowerpowerpower ofofofof H H H H bridge.bridge.bridge.bridge. 3 第一章第一章引引 言言 全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频节能环保的要求，迫使人们尽快 研究开发高效，节能，数字化的音频功率放大器。它应该具有工作效率高，便于与其 他数字设备相连接的特点。模拟功率放大器通过采用优质的元件，复杂的补偿电路， 深负反馈，使失真变的很小，但大功率和高效率一

14、直没有很好的解决。D 类音频功率 放大器是 PWM 型功率放大器，它工作于开关状态下，符合上述的要求。 传统的音频功率放大器工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于 线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在 较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁，功率输出受到限制。此外，模拟功 率放大器还存在以下的缺点： 电路复杂，成本高。常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电 路，体积较大，电路复杂。 效率低，输出功率不可能做的很大。 D 类开关音频功率放大器的工作基于 PWM 模式：将音频信号与采样频率比较， 经过自然采样，得到脉冲宽度与音频信

15、号幅度成正比例变化的 PWM 波，然后经过驱 动电路，加到功率 MOS 的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的 PWM 信 号送入滤波器，则还原为音频信号。 D 类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达 100%，实际的运用也可达 80% 以上。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出 功率很容易达到数百瓦。功率 MOS 有自我保护电路，可以大大简化保护电路，而且 不会引入非线形失真。 对于高电感的扬声设备，在设计电路的时候，是可以省去低通滤波器（LPF） ，这 样可以大大的节省体积和花费。而且有更高的保真度，这一点，在国外的 5V D 类音 频功率放大器中

16、已经得到了运用，如：TEXAS 公司的 TPA2002D2。 近几年，国际上加紧了对 D 类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进 展，几家著名的研究机构及公司已经试验性地向市场提供了 D 类音频功率放大器评估 模块及技术。这一技术一经问世立即显示出其高效，节能，数字化的显著特点，引起 了科研，教学，电子工业，商业界的特别关注。不久的将来，D 类音频功率放大器必 然取代传统的模拟音频功率放大器。 4 第二章第二章音响的基础知识音响的基础知识 1 1 1 1声音的基本特性声音的基本特性 音量：它与声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量 大，反之，则声音轻，音量小，音

17、量的大小是人耳听音的主观感觉。 音调：是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量“频率”对 应。 人耳的听觉范围： 20Hz20KHz 称之为可听声， 低于 20Hz 称为次声， 高于 20KHz 称为超声，人耳对 3KHz4KHz 的声音最为敏感。 音色：又叫做音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功率放大器的偶次 谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳，清丽。 2 2 2 2音响的结构及参数音响的结构及参数 前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对各种节目源信号进 行选择和处理，对微弱信号将其放大到 0.51V，进行各种音质控制，

18、以美化音色。 功率放大器，承担放大义务，是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，以推动 扬声器发声。有电压放大和电流放大之分，要求是宏亮而不失真。 3 3 3 3放大器的技术指标放大器的技术指标 （1 1 1 1） 额定功率额定功率 音响放大器输出失真度小于某一数值（1%）的最大功率成为额定功率，表达 式： L R U P 2 0 0=，0U为负载两端的最大不失真电压，LR为额定负载阻抗。 （2 2 2 2） 测量条件测量条件 信号发生器输出频率为 1KHz，电压Ui=20mV 的正弦信号。功率放大器的输出端 接额定负载电阻RL（代替扬声器） ，输入端接Ui，逐渐增大输入电压Ui，直到Uo的

19、波 形刚好不出现失真，此时对应的输出电压为最大输出电压。测量后应迅速减小Ui，以 免损坏功率放大器。 （3 3 3 3） 频率响应频率响应 放大器的电压增益相对于中音频f0（1KHz）的电压增益下降 3dB 时所对应的低音 音频fL和高音音频fH称为放大器的频率响应。 测量条件如下：调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的 50%，输入端接 音调控制器，使信号发生器的输出频率从 20Hz20KHz（保持iU=20mV 不变）测量 负载电阻上对应的输出电压0U。 （4 4 4 4） 输入灵敏度输入灵敏度 使音响放大器输入额定功率时所需要的输入电压（有效值）成为灵敏度。 （5 5 5 5） 噪声

20、电压噪声电压 使输入为零时，输出负载LR上的电压称为噪声电压。 测量：使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载LR的电 压波形，用交流电压表测量其有效值。 5 第三章第三章放大器简介放大器简介 1 1放大器的种类放大器的种类 功率放大器按照信号导通角，可分为：A，B，C 和 AB 类四类，其情况简述如下： (1)(1)A A A A 类放大器类放大器 我们省略电路的构造直接从特性曲线来讨论工作状态，见图 3-1 中左边为晶体管 输入特性，固定置偏所形成的工作点在 Q 点，当正弦音频信号输入时，其幅度未超出 线形范围，集电极工作状态处于截止区和饱和点之内，集电极电流为完整的全周

21、导通 的正弦波， 此时导通角为 180 度， （导通角是以最小值至最大值之间占全周的部分来计 算，全周导通时为 180 度） 。这种放大状态失真度较小，但是，当无交流输入时，有约 一半幅度（Q 点）的直流电流，其损耗为CCCOVI*，故效率是最低的，低于 50%，所以 这种 A 类功率放大器仅用于很小功率的收音机，助听器中，也有用也高级的 HiFi 功率放大器中。 图 3-1A 类音频功率放大器，在输入信号最大时，为了晶体管不截止，而设定 VB (2)(2)(2)(2)B B B B 类放大器类放大器 图 3-2 B 类音频功率放大器，晶体管截止极限设定 VB 如图 3-2 所示，静态置偏为

22、Q 点，处于截止点上，因此信号输入时，只有半周导 通（导通角为 90 度） 。集电极输出半个正弦波。这种状态失真度就很大了，所以一般 乙类放大器都用双管做成推挽式，每个管子工作半周构成完整的正弦波以减少失真。 乙类状态的最大优点是无信号时原则上没有直流电流，因而没有直流功率损耗，效率 超过 50%，但是由于曲线起始端的非线形，常将推挽放大器的两管均少量正向置偏， 其导通角大于半周，故效率不能做得很高达 60%70%，工作介于 AB 类之间，故又 称为 AB 类功率放大器。其情况如图 3-3，图 3-4。 Vb Vcc t Ic Q 6 图 3-3SEPP 电路（在一般的音频功率放大器的输出级经

23、常使用） 图 3-4AB 类和 B 类放大器 (3)(3)(3)(3)C C C C 类功率放大器类功率放大器 情况如图 3-5， 图 3-5C 类放大器，仅不要导通时间设置 VB 静态置偏点在截止点之下，当信号输入时只有超过偏置点部分的管子才能导通， 效率更高，但由于失真过大，难用于音频功放，一般多用于高频功放做为陪频器使用， 集电极电流呈脉冲状，谐波丰富，再用高 Q 电路调谐于二次谐波输出完整波形的倍频 正弦波。 (4)(4)(4)(4)D D D D 类功率放大器类功率放大器 以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流， 所形成的直流功率损耗。无信号时电流愈大则

24、直流损耗越大，效率越低。为此，要提 高效率则应降低工作点，使无信号输入时，也没有直流损耗。但是，信号导通角逾小 波形的失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求是相矛盾的。 如果输入波形其他边沿很陡峭，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣 化不大而效率又可以得到提高。 波形陡峭的极端状态时输入信号为矩形波， 这种波形， 无论偏置如何变化，由于前后边沿是垂直升降的，导通状态都不会发生变化，这样就 Ib Ic Ube Ib Vb Q 7 诞生了工作于脉冲放大状态的 D 类功率放大器。 D 类放大器工作于开关状态，无信号输入时无电流，而导通时，没有直流损耗。 事实上由于关断时器件尚有微小漏

25、电流，而导通时器件并没有完全短路，尚有一定的 管压降，故存在较少直流损耗，效率不能达到 100%，实际效率在 80%90%，是实用 放大器中效率最高的。 正是由于 D 类放大器的效率高，100 瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热 器就几个平方厘米，连电路板都可以做的很小，大大减小了体积和重量。并且由于工 作比音频高 10 余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响会很小。 2 2 2 2D D D D 类类功率放大器的原理功率放大器的原理 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，经脉冲推动器驱

26、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发声。当输入 PCM 数字信号时， 数字信号经 PCM-PWM 转换器，转变成为 PWM 脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功 率放大器工作，然后经低通功率滤波器带动扬声器工作。 音频PWM编码可以从两种途径获得，一是对模拟音频信号进行模数变换直接生成 PWM数字音频；二是对其他编码的数字音频，如CD的PCM编码，通过数字信号处理 技术变换成PWM音频编码。CD和DVD碟片上输出的音频信号是数字化的，若采用普 通的模拟功放机进行放大，则播放机进行解码后再经过数模变换，变成模拟音频后再 送到功放电路中。 而采用数字功放(D类音频功放)后， 就可

27、把解码后的PCM数字音频信 号直接进入数字信号处理电路处理成PWM码进行放大， 省去了播放机中的数模变换和 数字功放中的模数变换二个较 贵重部分，这样不但音质受损 少，成本也可降低。 D 类功率放大器的电路工 作方式为开关状态，其原理方 块图如图 3-6，波形图如图 3-7 所示。 从图 3-6 的结构可知， 两个放大器反相连接，实际 上构成推挽状态，起到开关 的作用去控制与电源串联的 负载回路（RL） ，低通滤波器 LPF 可以滤去脉冲波的高频 部分，得到基波成分，所以 实际上成为数/模（D/A）转 换电路，重新将脉冲波还原 成为弦波。从电路结构看， 当两支形状短路阻抗为 0， 开路阻抗无穷

28、大时，电路的 效率为 100%。因为扬声器是 感性负载，对于高电感的扬 声器如中频扬声器，D 类功放 输入 A-D LFE RL 输出 图 3-6D 类音频功率放大器原理方块 图 输入 输出 三角波信号 PWM 信号 PWM 信号 输入信号 三角波 输入 图 3-7将正弦波变为脉冲波的脉宽调制电路 8 可以不用接低通滤波器，直接与扬声器相联。 图 3-7 表示如何将正弦波转化为脉冲波，让脉冲波的宽度受正弦波幅度的调制， 称为 PWM 信号，即“脉宽调制”信号。这里没有应用一般概念的 A/D 变换电路，而 是用一个幅度与放大的正弦信号近似的三角波，共同作为变换器输入，相当于反相比 较器。当三角波

29、幅度大于正弦波幅度部分，变换电路输出“1” ；而三角波幅小于正弦 波幅时，变换电路均输出“0” ；这样即将输入的正弦信号变为宽度随正弦信号波幅度 变化的 PWM 波。 D 类功率放大器使用的开关管采用功率型 MOSFET，即大功率场效应管，并为保 证足够的激励电压而设有驱动电路， 使FET能充分的开启和关断， 其电路结构如图3-8。 图 3-8 功率输出级结构说明 图 3-9 是 PWM 波的频谱，当放大单一的频率正弦波时，其频谱中除低频段存在 与输入信号相同频率的基波成分外，还存在各次谐波的频谱。因此用 LPF 低通滤波器 就可以滤去高频谐波而得到正弦基波成分，因此，可使数模转换电路非常的简

30、化。 图 3-9 PWM 波频谱 由上可知 D 类功率放大器效率高，发热损耗小，可以降低电源容量，减小体积和 自身散热器的体积。 输入信号 电平 + - + 三角波 输入 输出 9 第四章第四章D D D D 类放大器的设计类放大器的设计 当前的电子器件倾向于便携和小的尺寸，音频功率放大器采用了 D 类技术，D 类 功率放大器由于它的高效率，理论上可以达到 100%，而受到关注。D 类放大器的输出 级是 CMOS 的功率晶体管组成，提供扬声器负载需要的大量的电流，这些晶体管工作 在或者是截止状态，或者是线形区，而不是饱和区，由于晶体管只是工作在周期间的 一小部分是激活的，减小了开关的导通损耗。

31、高的效率也因此成为可能，效率受 D 类 输出级的晶体管的导通电阻（Ron）影响。 图 4-1 D 类音频功率放大器的结构框图 图 4-1 是 D 类功率放大器的简单框图，D 类音频功率放大器在工作方式上与产生 控制 PWM 电压信号的开关电源相似。 1 1一般一般 D D 类功率放大器的组成情况和分类类功率放大器的组成情况和分类 图 4-2 所示为一般的 D 类音频功率放大器的组成情况，它主要是由 PWM 波产生 电路，功率放大电路，滤波电路和负反馈电路四部分组成。 图 4-2一般 D 类功率放大器的总体结构 D 类音频功率放大器根据开关放大器的工作方式不同，又分为两种类型： (1) 电压开关

32、型 D 类功率放大器：使放大器工作时，开关上的电压波形为方波。 (2) 电流开关型 D 类功率放大器：使放大器工作时，开关上的电流波形为方波。 2 2 2 2各单元电路的作用介绍各单元电路的作用介绍 (1)(1)(1)(1)前置放大器前置放大器 前置放大器是在功率放大器之前而加入的一级放大电路。其目的是对输入的功率 放大器的各种信号源进行加工处理，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其和功率 放大器的输入灵敏度相匹配。对其要保证低噪声，高信噪比，高转换速率，输出电阻 三角波 发生器 比较器 死区效正和 驱动控制 音频信 号输入 正弦信号 负反馈 开关放大电路 （MOSFET） 滤波电路 （LPF

33、） INPUT PWMGEN ERATORLPF SPEAKER 10 要小及频带要宽等要求。为此在差分输入对管要选用低噪声优质的结型场效应管，运 算放大器应选用低噪声，高速器件，电阻电容选用高精度，高稳定度及高质量元件。 (2)(2)(2)(2)脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWMPWMPWMPWM）电路）电路 PWM调制器也称为脉冲宽度调制器。 该电路的作用是把加在它的输入端的模拟信 号变成宽度或者占空比与输入信号成正比的脉冲。 它由三角波产生器(有的公司生产的 D类功率放器中使用锯齿波发生器)电压比较器和驱动功率场效应晶体管的栅极驱动电 路组成。三角波产生器是利用恒定电流对一个电容器的充电

34、和放电而形成三角波。三 角波的频率就是D类音频功放的振荡器频率，它是固定的。 脉宽调制电路即 PWM 控制电路，实质上是一个电压比较器，如图 4-3 所示。它 的同相端输入前置放大器的输出信号电压，它的反相端输入锯齿波电压。这两个电压 图 4-3图 4-4 经比较后，输出与音频信号幅度值成正比的脉宽信号。在 A 点以前，音频信号电压大 于锯齿波电压，比较器输出高电平（接近 Vcc 电压） ；在 A 点以后，B 点以前，锯齿 波电压高于音频信号电压，则比较器输出低电平；在 B 点以后 C 点以前，音频信号电 压又高于锯齿波电压，则比较器输出高电平。这样，由比较器输出脉冲宽度与音频电 压信号幅度成

35、正比的 PWM 信号。 将音频信号电压，锯齿波电压及比较器输出的 PWM 信号画在一起如图 4-4 所示。 由图可以看出，锯齿波的电压幅值是 2Vcm；输出的脉冲宽度与音频信号电压的幅值 成正比。音频信号电压为 0 时，输出脉冲占空比为 100%；输出脉冲的频率等于锯齿波 的频率socf。 脉冲宽度调制电路将直接影响音频功率放大器的性能指标。 对于高频载波三角波， 为了减小输出音频信号的非线形失真，要求三角波信号的两个斜边对称且具有高的线 形度。对于载波频率的要求，理论分析表明，载波频率越高，功率放大器的输出高频 干扰越容易滤除，输出波形失真也越小；但功率放大器的开关频率也升高，这将大大 的增

36、加开关器件的开关损耗，造成功率放大器的效率下降。因此，一般载波信号（三 角波）的频率和调制信号（取正弦波）的频率满足如下关系： Tsff)2010(= 其中，sf为载波信号频率，Tf为调制信号的频率。 功率放大器的通频带为 10KHz， 取三角波信号的频率为 120KHz。 (3)(3)(3)(3)三角波发生器三角波发生器 11 三角波发生器电路采用迟滞过零比较器加反相积分器组成的典型电路结构，为了 保证三角波在高频输出信号下的线形度及 PWM 脉冲信号边沿的陡峭度，运算放大器 及电压比较器均采用高速的器件。 (4)(4)(4)(4)驱动控制电路驱动控制电路 对于驱动控制电路的要求一是把 PW

37、M 信号整形成前后沿更加陡峭的脉冲；二是 能倒相形成 PWM 和PWM两个脉冲以满足 H 桥功率开关管的要求；三是为防止同一 桥臂上两功率管直通，PWM 和PWM两脉冲之间要有一定的死区时间；四是应具有保 护功能，当负载出现过流或短路时，应封锁 PWM 和PWM脉冲信号输出。 (5)(5)(5)(5)H H H H 桥式功率放大电路（功率输出电路）桥式功率放大电路（功率输出电路） 功率输出电路通常由两只功率MOSFET管组成，并采用双电源供电，脉冲宽度调 制器所输出的两路脉冲信号决定这两只功率MOS-FET管的状态，一路脉冲信号加在 MOSFET管vT1的栅极，控制它的状态，另一路脉冲信号加在

38、MOSFET管v 的栅极， 控 制它的状态。由于两路脉冲信号的极性是相反的，当VT1导通时，VT2截止，电流经 过低通滤波器进入负载(扬声器)，从接地端流出来；当T1截止时，VT2导通，进入 负载的电流方向相反。注意，此时负载的一端是接地的。 为了提高输出功率和除去单电源供电时输出信号的直流成分，一些厂家的D 类放大器以BTL方式连接(如图4所示)。使扬声器两端的直流电压为OV。在图4中，脉 冲宽度调制器输出的两路脉冲信号决定这四只功率MOSFET管的状态，一路脉冲信号 (在驱动电路内部分为两路)加在功率MOSFET管VT1和VT2的栅极上控制VT1和vT2 的状态；另一脉冲信号加在功率MOS

39、FET管vT3和VT4的栅极上控制VT3和vT4的状 态。由于两路脉冲信号的极性是相反的，当vT1和VT3导通时，vT2和VT4截止，电流 经过低通滤波器进入负载；当VT1和VT3仍截止时。VT2和VT4导通，电流进入负载。 注意，在BrL方式连接电路中，负载是不接地的。 一般的我们采用 H 桥式功率放大器。H 桥式功率放大器的简单电路图如图 4-5 所 示。 它由两个 N 沟道 MOSFET 及两个 P 沟道 MOSFET， 反相器及接在 OUT+和 OUT- 端的负载 R 组成。四个 MOSFET 管及负载连接成“H”的字样，所以成为 H 型桥式功 率放大器。 放大器的输入信号由 PWM

40、控制器的输出信号分成两路提供：一路直接接在左端 图 4-5 H 桥式功率放大电路典型图 12 输入端；另一路经反相器后接在右端输入端。两个输入端的相位总是相反的。如图 4-5 所示，右端的是同脉宽的负脉冲。 该功率放大器的工作原理如下：左端输入正脉冲，则右端输入负脉冲（其脉宽相 同） 。左边的 P 沟道 MOSFET 截止，N 沟道 MOSFET 导通；与此同时右边的 P 沟道 MOSFET 导通，N 沟道 MOSFET 截止。如果把 MOSFFET 看作开关，则可画成如图 4-5 的状态。电流从 Vpcc 流经 R 后流入 PGND，电流方向从扬声器右边流向左边其结 果如图 4-6 所示；当

41、左端输入负脉冲时，则右端输入正脉冲，电流方向从扬声器左边 图 4-6图 4-7 流向右边，其结果如图 4-7 所示。由于负载的电阻阻抗很小，一般为 48，所以流 过 R 的电流很大，实现了功率放大的目的。H 桥式功率放大器的损耗很小，主要是 MOSFET 的导通电阻及输出纹波电流。线性功率放大器的效率一般在 50%以下（A 类 功率放大器） ，而 D 类功率放大器效率可达到 75%90%（与负载阻抗大小有关，负 载阻抗大时效率更高一些） 。 H 桥式功率放大器的任务就是把 PWM 信号中的调制信号解调出来，即开关式功 率放大器就是一逆变器电路。对于逆变器的设计首先要选择开关频率高，导通电阻小

42、的场效应管；其次应采用 H 桥式逆变电路，目的是使输出电压摆幅可以升高到接近于 两倍的电源电压，增大功率放大器的最大不失真输出功率；再者为了减少输出电压的 非线性失真，逆变器的输出端应接入 LC 低通滤波器。 (6)(6)(6)(6)输出低通滤波器输出低通滤波器 功率输出电路送到负载的信号是一串脉冲，脉冲的占空比和加在脉冲宽度调制器 输入端的模拟信号幅度成正比，但是脉冲包含的基频和谐波是有害的，必须通过低通 滤波器(Low pass filter)把基频和谐波(超高频)信号滤除，仅留调制音频信号(模拟信号) 的部分,用以驱动扬声器。 低通滤波器的截止频率决定功放频率响应的高频上限。此高频上限随

43、着输出负载 不同而改变，可选3040kHz。低通滤波器的电感器中流过的电流很大，电感线圈的 电阻和电容器的等效串联电阻都会消耗功率，也就是说，输出低通滤波器会降低D类 功率放大器的效率，必须使用等效串联电阻小的电感器和等效串联电阻小的电容器。 用二阶低通滤波器时需要的元件数量少，成本低，对高频的衰减作用要差一些。用四 阶低通滤波器需要的元件数量多，成本增高，对高频的滤波效果要好过二阶低通滤波 器。提高开关频率可以降低电感器和电容器的数值，从而可以使用体积较小的电感器 和电容器，便于布置印制电路板，也可以帮助降低IOSFET管的开关损耗。同样无源 元件的高频损耗也会引起效率下降。在设计时应当在这

44、些互相矛盾的因素之间进行折 13 衷，通常该电路采用功率损耗较小的二阶低通。 低通L滤波器的形式除了巴特沃斯滤波器外，也可以使用切比雪夫滤波器、椭 圆滤波器。虽然贝塞尔滤波器的相位特性、线性度在上面提到的几种滤波特性中是最 好的，但是其幅频响应的衰减特性的陡峭程度不如其他几种滤波电路，所以在D类功 率放大器中不宜使用贝塞尔滤波器。需要注意的是组成低通滤波器的元件(L1、C23、 C24)参数不能随意改变，其取值应该根据扬声器的阻抗凤、最高通过的频率厂c以及电 路的Q值要求来确定的。其中fc通常在3040kHz( fC=l27LC)，Q值在070 53之间效果最佳(Q=RLC/L)，若Q值小，则

45、高频响应高端下降得较早，不过下降斜率较 小因而电路较稳定；Q值等于0.7时，响应最平坦，截止频率点前后变化最均匀；如果 Q值高于0.7的话，则会使频率响应在fc处出现较大幅度的上冲， 导致频率变化剧烈， 因此不宜采用。除了用二阶低通滤波器，也可以使用由电感器和电容器等无源元件构 成的四阶低通滤波器。 综上所述，在 H 桥功率放大器及负载之间加一个低通滤波器是必须的。如果没有 低通滤波器，在负载上的纹波电流会显著地降低效率，并且会干扰其它电子设备。一 种简单的 LC 低通滤波器如图 4-8 所示。 该低通滤波器在负载阻抗为 4时，L1=L2=15H，C1=C2=2F，负载阻抗增加 时，C1，C2

46、 可适当的减小。 (7)(7)(7)(7)负反馈电路负反馈电路 为了稳定D类音频功率放大器的增益并优化频率特性， D类音频功率放大器通常设 计有反馈放大器(如图4-9所示)。 图4-9 负反馈电路结构 反馈放大器是一个差动放大电路，、它把脉冲宽度调制器的两路相位相反的脉冲 图 4-8 简单的 LC 低通滤波器 PWM 音频输入 音频信 号输入 调制 信号 反馈输入信号 输出 - + + - 14 宽度调制信号+和 转换成单端电压信号F利用数字功放技术生产整机时，音量调 节方法通常会成为机种档次的分界线。简单的方法通常像传统模拟功放那样用电位器 衰减模拟信号的输入幅度，实现音量衰减。这种方式数字信号的量化比特率得不到充 分利用，小音量时信噪比下降，动态范围变小，而且也不能用于数字音频直接输入的 系统。较好的方法是采用调节电源电压