D類音頻功率放大器設(shè)計

丁冠叢

摘 要：本文首先就D類音頻放大器的基本概念進行了一定的分析，然后簡要的闡述了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)這些概念綜合性的給出D類音頻功率放大器的設(shè)計要素及解決方案，供相關(guān)人士做參考。

關(guān)鍵詞：功率放大器；調(diào)制器；拓撲結(jié)構(gòu)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.140

1 引言

從整體上對音頻放大器進行劃分可以分為四種，其中D類放大器占據(jù)的優(yōu)勢性比較大，是比較理想的應(yīng)用型音頻放大器。D類功率放大器主要優(yōu)勢在于其功耗較小，在器件的組合上D類放大器絕大多數(shù)情況下只是充當(dāng)一個開關(guān)的作用，其最主要的額外功耗在于晶體管的阻抗所致，由于其對散熱裝置的需求很低，因此D類放大器能夠在很大程度上增加電池的使用壽命。

2 D類音頻功率放大器的分析

（1）D類音頻功放和其他音頻功放的比較。

1）AB類放大器。AB類放大器的主要特點可以從兩個方面出發(fā)，一個是B類放大器的交越失真，另外一個是AB類放大器消除交越失真的情況，二者主要形成一個對比的作用。由于AB類放大器在其晶體管的導(dǎo)通時間上有一定的特殊性，這段導(dǎo)通時間通常情況下會比半周期持續(xù)的時間要長，因此在兩管推挽的特點之下AB類放大器交替失真的特性能夠在很大程度上消除交越失真的影響。2）D類放大器。D類放大器在性能上和AB類放大器有著明顯的區(qū)別，在PWM和PDM的作用之下D類放大器能夠?qū)⑤斎脒M來的模擬音頻信號通過一定的轉(zhuǎn)換作用而形成相應(yīng)的脈沖信號。由于D類放大器在作用上大部分是充當(dāng)一個開關(guān)的作用，因此也被稱之為開關(guān)放大器。

相比較其他放大器而言，D類放大器的效率非常高，除此之外，其體積小的特點能夠為設(shè)備提供更大的空間，而在失真方面其概率低的特點使得D類放大器在調(diào)試和應(yīng)用上都能夠保持很大的穩(wěn)定性。

（2）D類音頻功放的工作原理 。D類音頻放大器在工作中主要的功能是在于將輸入的部分信號進行一定的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過相關(guān)的濾波處理之后能夠有效的使得電平進行轉(zhuǎn)移。振蕩器在D類音頻放大器中的作用至關(guān)重要，其振蕩周期在發(fā)生變化的情況下對整個采樣周期的影響都是非常大的。

PWM和鋸齒波振蕩器的組合形成了D類放大器的調(diào)制器拓撲結(jié)構(gòu)，除此之外經(jīng)過脈寬調(diào)制器和低通濾波調(diào)制器的作用之下能夠很好的作為一種開關(guān)導(dǎo)向的功能，其功能的應(yīng)用主要是為了把控電流的輸入。三角波振蕩器的作用主要是為了在輸入信號的整合中起到一個采樣功能，當(dāng)輸入信號充足的情況下，隨著方波的增長信號電平也會隨之增長，而當(dāng)輸入信號缺乏的情況下，會出現(xiàn)一半波形存在占空比的現(xiàn)象。

由于D類音頻放大器的主要目的在于在相關(guān)的波形中提取經(jīng)過放大處理后的音頻信號，因此需要在其中加入一個低頻濾波器的協(xié)助使得整個輸出信號得到相關(guān)的整合，而整合之后的輸出信號需要達到原有音頻信號的效果。三角波信號和輸入信號的周期有著較大的差別，三角波信號的周期較短，而輸入信號的周期較長，輸入信號脈寬與輸入信號幅度成一個正比的現(xiàn)象。

（3）D類放大器的功率。在實際應(yīng)用中線性放大器的效率只有一半左右，但是D類放大器的效率是非常高的，通常情況能夠達到八成以上。在計算開關(guān)損耗時的效率有一個計算的公式，導(dǎo)通電阻、濾波器電阻、無源電阻、負載電阻這四者之間通過一定的加法運算能夠得到一個加值，而負載電阻和這個計算出來的價值進行比值計算就能夠得到開關(guān)損耗時的效率。任何元器件都不可能存在零功率損耗的現(xiàn)象，最理想的元器件在設(shè)計時候只能盡可能的減少其功率上的損耗。

3 D類音頻功放的設(shè)計要素及解決方案

（1）輸出晶體管設(shè)計。為了能夠在最大程度上降低D類音頻放大器的功耗，在此在輸出晶體管上的設(shè)計需要在開關(guān)損耗降低的理念之下進行。但是只是在開關(guān)方面引起注意以此來減少功耗的損失是不夠的，由于在輸出功率不同的情況下減少功耗的方案不同，因此需要結(jié)合實際中輸出功率的大小具體的進行設(shè)計。在輸出功率相對較大的情況減少功耗的側(cè)重點在于傳導(dǎo)損耗的降低，而在輸出功率相對較小的情況下選擇的是降低開關(guān)處的損耗。

（2）輸出級保護。在有些情況下會出現(xiàn)輸入電流過大的現(xiàn)象，在電流的影響之下會給整個電路造成過熱的狀況，因此在D類音頻功率放大器的設(shè)計上還需要安置一個輸出級保護設(shè)置。最為簡單的輸出級保護設(shè)置是以安全閾值的模式進行，為了防止整個電路出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象而燒壞電路板，應(yīng)該根據(jù)熱度而計算出相應(yīng)的電流值，在電路中超過這個電流值（安全閾值）之后輸出級會以關(guān)斷的形式進行保護。

除了設(shè)置安全閾值的模式進行輸出級保護，還可以使用欠壓鎖定保護裝置。顧名思義，欠壓鎖定保護裝置的含義在于電路中電源電壓達不到標準值的情況下是不能夠正常的進行工作。這種情況下也可以通過設(shè)置閾值來進行處理，只有電壓高于閾值整個電路才正常的進行電壓輸出操作，達到電路的穩(wěn)定運行。

（3）不完美失真和噪聲。在人們對D類音頻放大器的理解中是不會出現(xiàn)失真的現(xiàn)象，但是由于波段的種類繁多，因此在這些波段的影響之下D類音頻放大器難免會存在部分失真和噪聲的現(xiàn)象。造成這類現(xiàn)象的因素有幾種，第一是由于PWM信號的影響，隨著時間段的進行PWM信號在輸出的過程中會存在部分抖動的情況，而這種抖動的出現(xiàn)主要原因在于分辨率受到部分限制。除此之外，在死區(qū)和開通關(guān)斷的時間上存在一定的差別，同樣的整個放大器也會受此影響而出現(xiàn)部分失真的現(xiàn)象。第二是由于二極管的一些特性所致，在輸出電阻反作用的影響之下使得電源在給放大器供壓的過程中會出現(xiàn)波動的狀況，因此導(dǎo)致非線性影響的產(chǎn)生。

（4）濾波器設(shè)計。一個性能較好的濾波器對于整個D類音頻放大器而言能夠在寬帶和THD上造成其特性的波動，而在濾波器的選擇上基本沒有一個統(tǒng)一的標準，具體還是需要視實際情況而定。巴特沃斯濾波器的應(yīng)用是最為廣泛的，由于其通帶在輸出的過程能夠保持一個穩(wěn)定的狀態(tài)，因此造成良好的相位響應(yīng)能夠很好的減少其波動性的影響。

4 結(jié)語

當(dāng)D類音頻功率放大器在設(shè)計上能夠科學(xué)進行的條件之下，對于電子產(chǎn)品電池續(xù)航能力的提升有著很大的幫助。雖然D類音頻功率放大器的優(yōu)勢性比較明顯，但是相關(guān)人員不能在對其改進上有所懈怠。

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