毕业论文实用低频功率放大器电路研究.doc

摘 要随着便携式多媒体消费电子产品(如MP3播放机、手机和数码相机等)迅速普及，市场急切要求产品能够借助音频性能改进来提高市场竞争力。针对这种现状，本文介绍了一种低压、低失真、高效率D类音频功率放大器。该音频功率放大器具有结构简单、成本低、性能出色以及外部应用电路简单等优点，主要核心为PWM调制技术。本文的工作主要描述了它的电路设计以及访真验证流程，设计思想，并且所使用的Protel DXP、Keil设计工具的介绍也是重点之一。关键词： 音频、放大器、PWM脉冲调制ABSTRACT As the developing of portable multimedia consumer electronics (such as MP3、cell phone、digital camera), high fidelity is the demand of the market. Aimed at this condition, we introduce a low-cost, stereo, low-distortion, high efficiency,Class-D audio power amplifier. The device features simple，low-cost，outstanding performance,its main core is the PWM modulating technology. The primary work in this thesis is describes the circuits design and simulation verification process, design ideas and tools used by the presentation is also one of the key.Key words: audio，amplifier，PWM pulse modulation目 录第一章 引言11.1 本课题的研究背景11.2 国内外音频领域的发展现状11.3 研究本课题的价值及意义41.4 本课题的主要工作4第二章 功率放大器原理52.1 功率放大器的性能指标62.2 功率放大器的工作原理7 2.2.1 线性功率放大器8 2.2.2非线性功率放大器11 2.2.3功率放大器特性小结152.3 D类功率放大器理论16第三章 D类功率放大器的方案设计243.1 高效率功率放大器243.2 高效率D类功率放大器实现电路的选择253.2.1 脉宽调制器（PWM）253.2.2 高速开关电路263.2.3 滤波器的选择273.3 信号变换电路273.4 功率测量电路28第四章 D类功率放大器设计294.1 Protel DXP工具简介294.1.1系统组织架构 324.1.2电路原理图设计324.1.3电路PCB版图设计344.2 Keil工具简介364.3 主要电路工作原理分析与计算41 4.3.1 D类放大器的工作原理41 4.3.2 脉宽调制器414.3.3 前置放大电路434.3.4 驱动电路和H桥互补对称输出电路444.3.5 低通滤波器电路454.3.6 信号变换电路454.3.7 功率测量及显示电路464.3.8 短路保护电路474.3.9 音量显示电路484.3.10 电源电路494.4 系统整机电路和测试分析49第五章 结论54参考文献55致 谢56外文资料原文57外文资料译文65第一章 引 言1.1 本课题的研究背景随着全球消费市场要求新兴的及现有的数字便携式多媒体消费电子产品(如便携式多媒体播放机PMP、娱乐手机和便携式数字摄像机)提供高保真音频性能，便携式多媒体产品(如多媒体电话、数码相机和MP3播放机)本身也急需借助音频性能改进来提高市场竞争力。例如，目前的2.5G以及3G移动通信网络可以为移动电话用户提供许多先进的服务，带领移动电话业进入一个全新的时代。移动电话添加了内置式数字照相机、可供下载的多音调振铃、Java电子游戏、MP3播放、录音留言、卡拉OK及视频点播等功能之后，已不只是一个简单的语音通信工具。今日的移动电话已经成为能提供个人多媒体娱乐的中心。传统的音频处理电路和设计方法已经不能满足当前手机用户更高的音频质量要求，而且存在的各种环境噪音以及手机的多媒体功能对音频系统的设计提出了更大的挑战。1.2 国内外音频领域的发展现状开始研究之前，我们先来看看国内外音频领域的发展现状，从中找出我们之间的差距，从而可以找出我们的研究方向。音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。20世纪 80年代中期欧洲首先推出了采用MOSFET音频场效应管功放。90年代初，MOSFET的制造技术有了很大突破，出现了一种高速MOSFET大功率开关场效应晶体管。西班牙艺格公司（ECLER）经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的SPM专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两者优点结合的第3代功放产品，在欧洲市场上获得了认可，并逐步在世界上得到了应用。1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字功放的基本结构。主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM（脉冲调宽信号）。美国Tripass公司设计了改进的D类数字功放，取名为“T”类功1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器，数字功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大。低频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至思想认识上都取得了长足的进步。 1.2.1 国外音频领域的发展现状国外IC设计发展较我们要早的多，技术和市场成熟，许多大企业的产品丰富、功能强大。目前像美国国家半导体（National Semiconductor）、Maxim 美信、德州仪器、安森美、ADI 等众多国际知名企业均提供丰富的音频系列产品。例如：(1) 美国国家半导体为电子系统创造出模拟密集型解决方案，提供更高的能源效益、更便于携带、更佳音质及更完美的画质。美国国家半导体的Boomer系列音频放大器是低压大功率CMOS音频放大器，是音频市场上最获认可的品牌之一。公司拥有超过100种不同的Boomer系列音频放大器产品，应用于手机与便携式电子产品市场。Boomer系列音频放大器还针对全球的手机市场、便携式DVD播放器、笔记本电脑、平板显示器和LCD电视的音频产品市场。Boomer的发展方向是高度集成的音频子系统，功率最大化，封装小型化以及较低的热量。(2) 美信Maxim Integrated Products成立于1983年，是世界范围内模拟和混合信号集成产品的设计、开发与生产领域的领导者之一。通过将诸如温度、压力、声音等现实世界的各种信号进行检测、放大和转换成计算机处理所需要的数字信号, Maxim的电路将现实世界与数字世界“连接”起来。美信（Maxim）提供创新的音频IC，其中包括：音频放大器、耳机和扬声器驱动器(AB类、D类)、麦克风前置放大器、集成放大器以及CODEC。美信提供的所有方案都具有业内最佳的THD+N、效率、PSRR、EMI和杂音抑制指标。(3) 全球领先的高性能音频晶体管供应商安森美，日前推出ThermalTrak输出晶体管新系列，具有内部偏置控制的独特功能，该器件为用于高端和具成本优势的消费电子音频应用及大功率专业声音系统而设计，提高整体音质，简化设计。安森美半导体的音频输出晶体管采用ThermalTrak专利技术，消除累积预热时间，能快速精确地调整偏置。实时温度检测让设计人员更精确地监控工作温度，提高音质和偏置稳定性。该器件系列无需输出驱动补偿电路和昂贵的人工偏置调整，大大简化了放大器设计。(4) 美国模拟器件公司（Analog Devices,ADI）是全世界高品质音频放大器的领先公司。ADI公司经过验证的模拟技术和数字技术为多种音频放大器提供高保真音响性能。致力于为各种消费类电子产品提供模拟信号和数字信号处理技术。该系列产品包括业界领先的传声器前置放大器及其驱动器、线路驱动器和接收器。扩展种类的音频放大器包括能提供声音浑厚的A/B类放大器和D类放大器。ADI公司提供的技术可以使设计工程师在下一代蜂窝手机、便携式媒体播放器和手提式数字音频设备中增加数字图片处理、MP3音乐、广播电视和其它功能，从而能很快实现语音、视频和数据的会聚。ADI公司的信号处理技术确保当今的多功能移动设备兼容所有流行多媒体标准，同时能控制系统的功耗需求以便不降低电池的寿命就能提供新的音频、视频、图象和语音功能。该公司的Blackfin处理器支持的便携式媒体播放器，可以播放长达8小时的MPEG-4或Motion JPEG（MJPEG）视频，或者长达16小时的MP3音乐，同时还要运行媒体播放器的操作系统和各种应用程序。1.2.2 台湾地区音频领域的发展现状台湾地区的IC 设计业者，已经有不少名列全球前30 大的榜单，并具备一定的品牌信赖度，具有很强的竞争能力。在音频领域的发展更为迅速，代表的有演算科技公司、德信电子、致新科技等。台湾地区第一家以DSP 数字信号处理为核心技术的演算科技公司(ATCHIP CO.)，演算科技专注于音频IC 产品的研发，该公司通过噪音消除(Noise Cancellation)与音频压缩(Audio Compression)处理，能提供高品质但平价的音频IC。而音频IC 的应用范围广泛，该公司将锁定后PC 市场的娱乐消费性与生物科技医疗类的音频产品，包括MP3、DVR(Digital Voice Recorder)、高端音响(Hi-Fi)、高端数字助听器、以及应用于耳机、冷气机与汽车环境中的噪音滤除处理。 MP3 产品的发展已从过去的终端产品模式，走入成为个人数字商品的附属产品，例如附属于PDA、随身听、录音笔、甚至数字相机等。随着个人化数字商品市场的需求不断提升，MP3 组件的市场也被看好。台湾高科技厂商的主要竞争力，来自于降低成本(cost-down)的设计诀窍(know-how)。演算科技目前已拥有多项音频混合法与VoIP 等相关专利，如音频混合方法及器件(Audio Mixing Methods and Its Devices)。1.2.3 国内音频领域的发展现状国内音频领域近两年的发展极为迅速，2004 年的IC 设计公司数量已达471家。北京、上海、深圳、成都和西安等众多IC 设计公司（包括上海启攀,成都华微，哈尔滨圣邦微等）坚持开发自主品牌以及关键技术的芯片，凭借他们独特的技术和市场发展策略取得了令人瞩目的成绩。例如：(1) 启攀微电子有限公司作为一家集成电路设计公司，主要从事集成电路设计、销售，并且提供相关领域的软、硬件设计服务。具有完善的集成电路开发流程，产品定位于通讯、多媒体及智能家庭等高速成长的电子信息领域。提供用于手持式设备（包括手机、 MP3 、 PMP、电子词典 等）音频功放电路。包括CP2298（1 Watt 全差分音频放大器）、CP2296（1.25 Watt 全差分音频放大器）、 CP2290（1.25 Watt 音频放大器）、 CP2203（1.25 Watt 全差分音频放大器）等全差分及非差分类型，他们具有很高的PSRR，片内集成噪声抑制电路，宽广的工作电压范围、极低的关断电流和纤小的封装。(2) 成都华微电子系统有限公司主要从事集成电路产品的设计、开发、应用、销售以及电子信息系统相关电子产品的开发和技术服务。目前的集成电路产品涉及领域有计算机接口，总线接口，音频信号处理，AD/DA，可编程逻辑设计等。其主力产品音频功率放大集成电路芯片包括畅销的HWD2163、HWD2108、HWD2119、HWD2108 等。1.3 本课题的价值与意义在高度重视知识产权保护的今天，如果没有自主研发的能力，将会彻底被市场淘汰。本课题的难度适中，并且包涵了大部分工作所需掌握的知识点，在研究了本课题后，将会对版图电路设计工作有着较为全面的认识，同时也培养了我们自主研发的能力。进一步学习和巩固相关知识， 进一步熟悉和掌握电路设计仿真软件 Protel DXP、Keil等的使用方法; 为即将进入社会参加工作打下坚实的基础; 掌握收集资料、消化资料和综合资料的能力等。1.4 本课题的主要工作设计一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8电阻。 基本要求 功率放大器 a3 dB通频带为3003400Hz，输出正弦信号无明显失真。 b最大不失真输出功率1W。 c输入阻抗>10k，电压放大倍数120连续可调。d低频噪声电压(20kHz以下)10mV，在电压放大倍数为10、输入端对地交流短路时测量。 e在输出功率500mW时测量的功率放大器效率(输出功率/放大器总功耗)50。 设计并制作一个测量放大器输出功率的装置，要求具有3位数字显示，精度优于5。 设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路，将功率放大器双端输出的信号转换为单端输出，经RC滤波供外接测试仪表用。发挥提高部分： 3dB通频带扩展至300Hz20kHz。 输出功率保持为200mW，尽量降低放大器电源电压。 增加输出短路保护功能。其主要工作模块如图1-1 所示，包括功率放大器 、信号变换电路、 滤波电路、显示电路等。本课题研究开发包括各工作模块的结构设计、参数设计、模拟仿真 等，本课题的主要工作包括：1、设计工具的使用；2、分立器件的选取；3、单元模块的设计、访真；4、系统电路总拼及优化；5、电路验证；6、电路版图的设计验证；图1-1 系统组成框图第二章 功率放大器原理功率放大是一种能量转换的电路，在输入信号的作用下，晶体管把直流电源的能量，转换的电路，在输入信号的作用下，晶体管把直流电源的能量，转换成随输入信号变化的输出功率送给负载。2.1. 功率放大器的主要性能指标功率放大器应具有向负载输出大信号功率的能力，即负载上的电流电压信号幅度都很大，因此功放本身功耗大。在功放中，晶体管处于大信号工作状态，非线性失真比小信号放大器严重的多，常常需要合理选择工作点和采取一些电路措施来减小非线性失真。由于要求可靠发射信号的功率相当大，一个性能优良的功率放大器应该是在保证额定输出功率和线性的情况下，消耗最少的功耗。衡量各类功率放大器性能的主要性能指标有：(1) 输出功率(Output Power)输出功率(Pout)为功率放大器驱动给负载的带内射频信号的总功率，不包括谐波成分以及杂散成分的功率。一般用dBm来表示输出功率，dBm定义为输出功率相对于1mW所对应的dB值，其定义为： (2-1)其中，Pout的单位是瓦特(W)。根据此定义式，可得1W等于30dBm，100mW等于20dBm。(2) 漏极效率(Drain Efficiency)在输入信号作用下，直流电源提供的直流功率Pdc中，一部分被转换为输出信号功率Pout，其余部分将消耗在功放电路中。放大器的漏极效率定义为： (2-2)功率放大器的漏极效率简称效率，由公式(2-2)可知，给定Pout时，直流损耗越小，效率越高。由此可见，在输出功率一定的条件下，提高效率就意味着电源供给功率和放大器损耗功率降低。这对于降低能源损耗，减小成本具有非常重要的意义。 (3) 功率增益(Power Gain)功率增益定义为功率放大器的输出功率(Pout)与驱动信号功率(Pin)的比值： (2-3)便携式系统标准没有对功率增益作出具体规定，但考虑到功率放大器的驱动级一般仅能输出几毫瓦的功率，功率放大器的功率增益必须满足一定的要求。(4) 线性度(Linearity)一般用1dB压缩点和三阶交调点来表示功率放大器的线性度，图2-1总结了这两种线性度的定义，把输出功率画成两个(幅值相同的)不同频率输入正弦波的每一个子功率的函数，由于三次乘积项随驱动幅值的立方增加，因此当画在对数坐标上时其斜率为一次输出乘积项的三倍。输入1dB压缩点定义为使信号增益下降1dB时输入信号的值，输入三阶交调定义为当基波项与三阶项输出功率相同时的输入信号的值。在实际中1dB压缩点发生在比IIP3低的输入功率处。1dB压缩点大约发生-20-24dBm。图2-1 三阶交调点和1dB压缩点的图示 2.2 功率放大器的工作原理功率放大器可分为线性功率放大器和非线性功率功率放大器。线性功率放大器包括A类、B类、C类和AB类功率放大器，它们的特点是晶体管等效为受控电流源.非线性功率放大器分为D类、E类和F类，晶体管工作在开关状态，其晶体管等效为受输入信号控制的开关。本章分别介绍上述各类放大器的工作原理 及特点。2.2.1 线性功率放大器 图2-2 线性功率放大器模型线性功率放大器又称经典功率放大器，分为A类、AB类、B类和C类。它们的主要差别在于偏置情况不同，并且都可以通过研究图2-2所示的模型分析。在这个模型中，电阻RL代表将要把输出功率传送到的负载。电感BFL把直流功率送入到晶体管的漏极，假设电感值很大，足以使通过它的电流基本保持不变。电感L和电容C构成输出端并联振荡回路，削减了由非线性引起的带外的发射功率。晶体管漏极与LC振荡回路之间用电容BFC来防止负载中有任何直流功耗。本文只针对窄带工作的的低频功率放大器，为了简化分析，假设振荡回路的Q值足够高，因此振荡回路两端的电压即使是由非正弦电流提供，也可以很好地近似为正弦。把输入晶体管偏置电压设成不同值，使晶体管在每个周期导通时间不同，可分别得到A类、AB类、B类和C类功率放大器。下面对这四种功率放大器的特性做简单分析。(1) A类功率放大器在A类功放的设计中，选择偏置点使得MOS晶体管工作在饱和区，晶体管M1在整个周期内一直导通，对输入信号进行线性放大，晶体管漏端电压电流波形如图2-3。A类功率放大器是以效率为代价来提高线性度的，因为当没有输入信号时也存在由于偏置电流造成的功耗。当输出电压等于电源电压时，A类功放的理论最大效率为50%，但是由于一些不可避免的损耗，实际的A类放大器的漏极效率为30%-35%。A类功率放大器广泛应用于高保真音频放大以及要求不失真输出的射频放大。图2-3 A类功放漏极电压和电流波形(2) B类功率放大器在B类功率放大器中，偏置点使得输出器件在每个周期的一半时间内导通。这在总体上会使功率放大器偏离线性工作情形，需要有高Q值的谐振器来滤除谐波。B类功率放大器中晶体管漏极电流和电压波形如图2-4。当没有信号输入的情况下，功放功耗为0，从而提高了效率。理论上最大效率可达到78.5%，归一化功率传递能力为1/8，与A类放大器相同。一般实际的B类放大器大多采用图2-5所示的推挽电路来提高效率，但在推挽电路中会出现交越失真，也就是说B类功放是用所产生的失真来换取效率的明显改善。图2-4理想B类功率放大器的漏极电流和电压图2-5 B类推挽功率放大器原理图(3) C类功率放大器C类功率放大器的电路原理图如图2-6所示，在C类功放中，栅极的偏压使得晶体管在小于一半的时间内导通。因此，漏极电流是由周期性的一串脉冲构成的，如图2-7所示。当驱动信号足够强时，晶体管会进入饱和导通状态，输出与 输入信号同频率的脉冲信号，晶体管以信号频率对电源进行导通和关断，输出信号相对于输入信号会产生严重的失真，因为包含了输入信号的很多谐波成分，必须通过滤波器从输出信号中分离出输入频率；另一方面，C类功率放大器能通过调整导通角，来获得所需的谐波成分。C类功放的实际效率可以达到60%-80%。图2-6 C类功率放大器电路图图2-7 C类功放的漏极电流和电压(4) AB类功率放大器AB类功率放大器的偏置点界于A类和B类之间，晶体管导通时间大于半个周期小于一个周期，其效率和线性度在A类和B类放大器之间，这一折衷在实际中得到了很好的应用。2.2.2 非线性功率放大器非线性功率放大器也称开关模式功率放大器，其晶体管等效为受控开关，在理想情况下，晶体管两端的电压降为零，或者通过它的电流为零，因此其I-V乘积总为零，所以晶体管不消耗任何功率，其效率可以达到100%。开关模式功率放大器都是非线性放大器，只能应用于采用恒包络调制方式的收发机系统中，但由于它们能提供相对较高的效率，通过采用各种线性化技术后它们也被大量应用于各种非恒包络调制方式的收发机系统中。开关模式功率放大器必须要有很强的驱动电压，才能使得输出晶体管近似为一个理想开关，因此与传统功率放大器相比，它们的功率增益相对较低。依据实现方式的不同，非线性功率放大器分为D类、E类和F类放大器，本节将分别介绍这三种模式的放大器。(1) D类功率放大器D类功放通常为推挽电路形式，其电路如图2-8(a)，与推挽式B类功率放大器不同处是，由于输出驱动很强，使晶体管M1和M2等效为两个开关，输出采用了串联RLC振荡槽路。D类功率放大器晶体管漏端的输出电压和电流波形如图2-8 (b)，可见晶体管的作用相当于开关，故D类功率放大器的理论效率为100%，归一化功率传递能力为0.32，优于A类和B类。D类功率放大器虽然不能提供线性调制，但是它可以得到高效率，并且不会使晶体管产生过高的电压和电流。D类放大器由于功耗极低，在许多应用中具有显著的优势，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板（PCB）面积和成本，并且能够延长便携式系统的电池寿命。 以上分析都假设晶体管是理想开关，串联谐振电感L和电容C为理想元件。在实际中，当工作频率远小于晶体管的特征频率时，晶体管的开关延时可以忽略，晶体管可近似作为一个理想开关，功率放大器可达到近似100%的效率。 故D类功率放大器很适合低频应用。在下一节将针对D类功率放大器进行详细分析。(a) 图2-8 (a) D类功率放大器电路图 (b) 图2-8 (b) D类功率放大器电压电流波形(2) E类功率放大器E类功率放大器相对于传统的A、B、AB类功率放大器具有更高的附加功率效率，而相对于D类放大器E类只需单个开关管，可以工作在更高的频率。图2-9所示为理想E类功率放大器工作在导通和截止状态时晶体管状态，其中电容C1为晶体管结电容和外接电容之和，ron为晶体管处于饱和区时的漏源电阻。当vdrive大于VT时，晶体管工作在饱和区，相当于开关闭合，由于漏源间电阻ron很小，因此vD1近似为零；而当vdrive小于VT时，晶体管截止，相当于开关断开，iD1为0，C1开始充电，这样引起vD1增加，调谐网络从vD1中滤出基波，传输到负载电阻上，并且可以通过对电容C1和调谐网络参数的调节，当开关再次闭合时，有vD1=0和dvD1/dt =0，使得晶体管上电压和电流不同时出现，消除了由于充放电带来的1/2CV2的损耗，晶体管理想效率达到100%。 (a) (b) 图2-9 E类功放原理图 从2-9(b)可以看出，在开关导通时漏极电流的值和斜率均为零，从而降低了开关损耗；但是在开关关断时电流却接近最大，如果开关速度不是无穷快，这一过渡期间开关的损耗将很大。可见，E类功率放大器的开关关断损耗使功率传递能力较差，效率降低。另外，由于承受较大的开关电压强度，晶体管漏极电压峰值近似3.6VDD，漏极电流峰值大致为1.7VDD/RL，当利用按比例缩小尺寸原则减小工艺线宽时， E类功率放大器会面临可靠性问题。(3) F类功率放大器F类功率放大器利用电抗终端阻抗的特性可以对晶体管漏端电压或电流中的谐波成分进行控制，归整晶体管漏端的电压或电流波形，使得它们没有重叠区，减小开关的损耗，提高功率放大器的效率。图2-10(a)给出了一个F类功率放大器的电路图，由L和C组成的输出振荡回路调谐至载波频率，假设其Q值足够高，则其在基波处阻抗很大，在其他频率处阻抗为0。传输线的长度精确地等于载波波长的1/4，它的特性阻抗为Z0，考虑到四分之一波长传输线的“阻抗倒数”的特性。晶体管漏端的电压波形中将仅包含奇次谐波成分，它是一个理想的方波，流过开关的电流中仅包含基频频率成分和各高阶偶次谐波成分，其波形恰为半个周期的正弦波，如图2-10(b)所示。F类功率放大器的理论效率可以达到100%，其归一化功率输出能力为0.16，恰好是D类功率放大器的一半。在某些方面，F类放大器可以被认为等同于一个单端的D类放大器。应当再次强调开关模式的放大器（如D类、E类、F类放大器）从本质上讲都是恒包络放大器，也就是它们并不提供一个正比于驱动的输出，因此线性调制通常不能用这些放大器实现。(a) (b) 图2-10 F类功率放大器的原理图2.2.3功率放大器特性小结图2-11 功率放大器的分类偏置电压、输入信号驱动方式和输出网络共同决定了功率放大器的类型。如图2-11表示出功率放大器的导通角和输入信号与其工作类型的关系。对于小输入信号，根据导通角的不同，功率放大器的工作类型可为A、AB、B和C类，其中导通角由晶体管的阈值电压和偏置电压决定，可通过减小导通角来提高功率放大器的效率，但输出功率将同时减小。对于大输入驱动信号，器件工作在开关状态下，其高效率以线性度为代价，如D类、E类和F类功率放大器。A类功率放大器提供了很好的线性度，但效率很低，输出功率不可能做得很大。 功率三极管的静态工作电流比较大，在没有输入信号时对直流电源的消耗比较大。；B类和AB类功率放大器通过减少一个周期中晶体管工作的时间来提高效率，同时保持了线性调制的可能性；因为它是一种失真非常高的功放，只适合在通讯用途上使用，C类机输出效率特高，但不是HI-FI放大所适用。D类功率放大器提供的归一化功率传递能力近似为0.16，D类功放放大的晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接，电流流通但晶体管无电压，因此无功率消耗。当输出晶体管关闭时，全部电源供应电压即出现在晶体管上，但没有电流，因此也不消耗功率，故理论上的效率为百分之百。D类功放放大的优点是效率最高，供电器可以缩小，几乎不产生热量，因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳，低功耗产生热量较少，节省印制电路板（PCB）面积和成本，并且能够延长便携式系统的电池寿命。E类功率放大器解决了在导通过渡中的功耗问题，但在关断过渡中具有更大的功耗，并且具有极差的归一化功率传递能力；F类功率放大器的缺点是需要较复杂的电抗网络。 2.3 D类功率放大器理论分析D类放大器是一种开关或PWM功放，这类功率放大器的工作原理比较复杂。下面我们对D类功率放大器的基本理论进行分析。这种功放中，晶体管仅工作在饱和区与截止区，器件处于开关工作状态，器件要么完全导通， 要么完全关闭，大幅度减少了输出器件的功耗。效率可高达909 5。音频信号用来调制PWM载波信号和驱动输出器件，最后一级为用于过滤高频PWM载波频率以分离出音频信号的低通滤波器。图 2-12 D类放大器模块图 图2-l2所示为是半桥D类放大器的基本框图及放大器每一级的波形。电路将输出信号反馈至输入端，以补偿总线电压的波动。 D 类放大器的工作原理和PWM电源相似(稍后有模拟功放的示息图)，假设输入信号为一个标准的音频信号-频率范围在20Hz20kHz的典型正弦波。如图2a所示，将这个音频信号与高频三角波或锯齿波相比较产生一个PWM信号。将这个PWM信号用于驱动功率级产生放大的数字信号，最后采用低通滤波器过滤PWM载波，还原出正弦音频信号（见图2-13）。 因此设计高性能的滤波器，以更有效的滤除高频杂波；设计高性能的PWM控制器，对D放大器进行有效控制就成了D类音频功率放大器设计中的关键技术。图2-13 D类放大器波形图 线性放大器(A 类和A B类)和D类音频功率放大器的不同之处主要在效率。这也是当初开发D类放大器的主要原因。线性放大器线性很好但效率也很低，功率约为50 ，而D类放大器的效率很高，在实际使用中可高达90。图2-14对线性放大器和D类放大器的典型效率曲线进行了比较。 图2-14 线性和D类放大效率增益-线性放大器的增益不会受总线电压影响而变化，而D类放大器的增益是和总线电压成一定比例。这就意味着D类放大器的电源抗扰比（PSRR）为0dB，而线性放大器的PSRR就很好。D类放大器普通采用反馈来补偿总线电压的波动。 能量流向-在线性放大器中，电流是从电源流向负载，在全桥D类放大器中也是如此。而半桥D类放大器则不同，因其电流可以双向流动从而导致“总线电压上升”这一现象，这样会造成总线电容被从负载至电源方向反向加载的能量充电。这种情况主要发生在低频，如低于l00H Z。 可对D类放大器和同步降压转换器进行简单模拟，两者的拓扑原理在本质上完全一致，如图2-15所示。 图2-15 D类放大器拓扑元转化 这两个电路的不同之处在于同频降压变换器所用的参考信号是来自反馈电路的缓慢变化信号（稳定电压），而D类放大器所用的参考信号则是一个不断变化的音频信号。也就是说，同步降压转换器的占空比是相对稳定的，而D类放大器的占空比是波动的，其平均占空比为50%。 在同步降压转换器中，负载电流的方向总是朝着负载。但是在D类放大器中，其电流是双方向的。 最后，同频降压转换器和D类放大器对MOSFET的优化方式不同。同步降压转换器对高端和低端MOSFET采用不同优化方式-通过降低RDS(on)则可延长占空比，降低RDS(on)则可缩短占空比。而D类放大器高/低端的两个MOSFET采用相同的优化方式，具有相同的Rds(on)。 线性放大器和D类放大器的电源开关损耗截然不同。首先看AB类线性放大器的损耗，其定义式如下： （2-4）其中，K是总线电压与输出电压的比率。 线性功放功率器件损耗，可以简化如下： （2-5）需要说明的是功率损耗与输出器件参数无关。图2-16说明了功率损耗和K之间的关系。 图2-16 功率损耗和K之间的关系再看D类放大器的损耗。D类放大器输出器件的总能量损耗定义如下： （2-6）Psw为开关损耗,计算公式计如下： （2-7）Pcond为传导损耗，计算公式计如下: （2-8）Pgd为栅极驱动损耗，计算公式计如下: （2-9）从以上公式可以看出，D类放大器的输出损耗是由器件的参数决定。可通过Qg 、Rds(on)、 Coss和tf参数的控制，优化得到最有效的器件，图2-17为D类放大器的功耗和K的函数关系。图2-17 D类放大器的功耗和K的函数关系与传统A B类放大器相似，D类放大器可以归类成两种拓扑，分别是半桥和全桥结构。每种拓扑都各有利弊。简而言之，半桥结构简单，而全桥的音频