D類音頻功率放大器設(shè)計(jì)

丁冠叢

摘 要：本文首先就D類音頻放大器的基本概念進(jìn)行了一定的分析，然后簡(jiǎn)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(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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

1 引言

從整體上對(duì)音頻放大器進(jìn)行劃分可以分為四種，其中D類放大器占據(jù)的優(yōu)勢(shì)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(shì)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(gè)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(duì)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(diǎn)可以從兩個(gè)方面出發(fā)，一個(gè)是B類放大器的交越失真，另外一個(gè)是AB類放大器消除交越失真的情況，二者主要形成一個(gè)對(duì)比的作用。由于AB類放大器在其晶體管的導(dǎo)通時(shí)間上有一定的特殊性，這段導(dǎo)通時(shí)間通常情況下會(huì)比半周期持續(xù)的時(shí)間要長(zhǎng)，因此在兩管推挽的特點(diǎn)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(jìn)來(lái)的模擬音頻信號(hào)通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換作用而形成相應(yīng)的脈沖信號(hào)。由于D類放大器在作用上大部分是充當(dāng)一個(gè)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(diǎn)能夠?yàn)樵O(shè)備提供更大的空間，而在失真方面其概率低的特點(diǎn)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(hào)進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)相關(guān)的濾波處理之后能夠有效的使得電平進(jìn)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(duì)整個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除此之外經(jīng)過(guò)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(hào)的整合中起到一個(gè)采樣功能，當(dāng)輸入信號(hào)充足的情況下，隨著方波的增長(zhǎng)信號(hào)電平也會(huì)隨之增長(zhǎng)，而當(dāng)輸入信號(hào)缺乏的情況下，會(huì)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(guò)放大處理后的音頻信號(hào)，因此需要在其中加入一個(gè)低頻濾波器的協(xié)助使得整個(gè)輸出信號(hào)得到相關(guān)的整合，而整合之后的輸出信號(hào)需要達(dá)到原有音頻信號(hào)的效果。三角波信號(hào)和輸入信號(hào)的周期有著較大的差別，三角波信號(hào)的周期較短，而輸入信號(hào)的周期較長(zhǎng)，輸入信號(hào)脈寬與輸入信號(hào)幅度成一個(gè)正比的現(xiàn)象。

（3）D類放大器的功率。在實(shí)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(dá)到八成以上。在計(jì)算開關(guān)損耗時(shí)的效率有一個(gè)計(jì)算的公式，導(dǎo)通電阻、濾波器電阻、無(wú)源電阻、負(fù)載電阻這四者之間通過(guò)一定的加法運(yùn)算能夠得到一個(gè)加值，而負(fù)載電阻和這個(gè)計(jì)算出來(lái)的價(jià)值進(jìn)行比值計(jì)算就能夠得到開關(guān)損耗時(shí)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(jì)時(shí)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(jì)要素及解決方案

（1）輸出晶體管設(shè)計(jì)。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(jì)需要在開關(guān)損耗降低的理念之下進(jìn)行。但是只是在開關(guān)方面引起注意以此來(lái)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(shí)際中輸出功率的大小具體的進(jìn)行設(shè)計(jì)。在輸出功率相對(duì)較大的情況減少功耗的側(cè)重點(diǎn)在于傳導(dǎo)損耗的降低，而在輸出功率相對(duì)較小的情況下選擇的是降低開關(guān)處的損耗。

（2）輸出級(jí)保護(hù)。在有些情況下會(huì)出現(xiàn)輸入電流過(guò)大的現(xiàn)象，在電流的影響之下會(huì)給整個(gè)電路造成過(guò)熱的狀況，因此在D類音頻功率放大器的設(shè)計(jì)上還需要安置一個(gè)輸出級(jí)保護(hù)設(shè)置。最為簡(jiǎn)單的輸出級(jí)保護(hù)設(shè)置是以安全閾值的模式進(jìn)行，為了防止整個(gè)電路出現(xiàn)過(guò)熱的現(xiàn)象而燒壞電路板，應(yīng)該根據(jù)熱度而計(jì)算出相應(yīng)的電流值，在電路中超過(guò)這個(gè)電流值（安全閾值）之后輸出級(jí)會(huì)以關(guān)斷的形式進(jìn)行保護(hù)。

除了設(shè)置安全閾值的模式進(jìn)行輸出級(jí)保護(hù)，還可以使用欠壓鎖定保護(hù)裝置。顧名思義，欠壓鎖定保護(hù)裝置的含義在于電路中電源電壓達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)值的情況下是不能夠正常的進(jìn)行工作。這種情況下也可以通過(guò)設(shè)置閾值來(lái)進(jìn)行處理，只有電壓高于閾值整個(gè)電路才正常的進(jìn)行電壓輸出操作，達(dá)到電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）不完美失真和噪聲。在人們對(duì)D類音頻放大器的理解中是不會(huì)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(huì)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(hào)的影響，隨著時(shí)間段的進(jìn)行PWM信號(hào)在輸出的過(guò)程中會(huì)存在部分抖動(dòng)的情況，而這種抖動(dòng)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(shí)間上存在一定的差別，同樣的整個(gè)放大器也會(huì)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(guò)程中會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)的狀況，因此導(dǎo)致非線性影響的產(chǎn)生。

（4）濾波器設(shè)計(jì)。一個(gè)性能較好的濾波器對(duì)于整個(gè)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(dòng)，而在濾波器的選擇上基本沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，具體還是需要視實(shí)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(guò)程能夠保持一個(gè)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(dòng)性的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)D類音頻功率放大器在設(shè)計(jì)上能夠科學(xué)進(jìn)行的條件之下，對(duì)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(shì)性比較明顯，但是相關(guān)人員不能在對(duì)其改進(jìn)上有所懈怠。

參考文獻(xiàn)：

[1]林雨佳.一款高性能音頻功率放大器的設(shè)計(jì)[D].遼寧大學(xué)，2013.

[2]譚一秋.音頻功率放大器在筆記本電腦中的應(yīng)用研究[D].蘇州大學(xué)，2009.

[3]劉兆軍.基于雙極工藝的音頻功率放大器設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué)，2008.endprint