D类数字功率放大器.docx

3.3 D 类数字功放 D 类功放也叫丁类功放，是指功放管处于开关工作状态的功率放大器。早先在音响领域 里人们一直坚守着 A类功放的阵地，认为 A类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。 但 A 类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。后来效率较高的 B 类功放得到广 泛的应用，然而，虽然效率比 A 类功放提高很多，但实际效率仍只有 50%左右，这在小型便 携式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合，仍感效率偏低不 能令人满意。所以，如今效率极高的 D 类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重 视，并得到广泛的应用。 3.3.1 D 类功放的特点与电路组成 1. D类功放的特点 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。 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。 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。 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。 2 . D类功放的组成与原理 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 3.22 所示。 数字音频输入数字内插等比特滤波器调制器模拟音频输入洽开关式低通 数字音频输入 数字内插 等比特 滤波器 调制器 模拟音频输入洽 开关式 低通 中比较器〉 驱动 ——? —— 功放 滤波器 LC 咼频振荡 (几百kHz) 三角波发生器 PWM信号 图3.22 D类功放的组成 其中第一部分为 PWM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，另外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时，因其直流偏置为三角波峰值的 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 ;音频信号的负半周期 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PWMPulse Width Modulation 脉宽调制)或PDMPulse 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，脉冲波形 的宽度与输入的音频信号的幅度成正比。 第二部分为脉冲控制的大电流开关放大器。它的作用是把比较器输出的 PWM言号变成高 电压、大电流的大功率 pwMW号。能够输出的最大功率由负载、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 PWMI号中的交流成份，取出 pwMW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 3.23。 +VddPWM信号PWM调制三角波发生器驱动LPFLf .Ci比较器输出的PWM信号原音频 +Vdd PWM信号 PWM调制 三角波发生器 驱动 LPF Lf . Ci 比较器输出 的PWM信号 原音频 信号波形 比较器上的 两个波形 LPF后的恢 复