D类音频功率放大器的分析和设计要素

D类音频功率放大器的分析和设计要素

第88卷，卷第期第第66期Vol．　8，No． 6

电子与封装

ELECTRONICS & PACKAGING

总　第62期2008年6月

D类音频功率放大器的分析和设计要素

倪　　　　磊

（上海交通大学微电子学院，上海 200240）

摘　要：D类音频功率放大器是基于脉冲宽度调制（PWM）技术的开关放大器，包括PWM调制器、功率H桥、三角波发生器和低通滤波器等。文章首先对D类音频功率放大器与传统的音频功放进行了分析和比较，然后对D类音频功率放大器的工作原理、系统结构和两种拓扑结构进行了详细的分析和研究，最后对具有低功耗、低失真、高效率等高性能D类音频功放设计的难点和要点进行了研究，并提供了可行的解决方案，展望D类音频功放的发展趋势。关键词：脉宽调制；脉冲密度调制；H-桥；扩频调制

中图分类号：TN721　　　文献标识码：A　　　文章编号：1681-1070（2008）06-0021-05

The Analysis and Design Factors for Class D Audio Power Amplifier

NI Lei

（SJTU School of Microelectronics, Shanghai 200240, China）

Abstract: Class D audio power amplifier, including PWM modulator, power H-bridge, triangular wavegenerator, and low-pass filter and so on, is a switch amplifier with PWM technique as its basis. In thispaper, a detailed compare and relevant analysis between class D audio power amplifier and traditionaltypes was summarized. After introducing the functionality, system structure and two topologies of class D,a deep research toward key design difficulties and essentials of corresponding solutions for low-power,low-distortion, high-efficiency audio power amplifier was presented. At last, the outlook for class D audiopower amplifiers was brought up.

Key words: pulse width modulation;pulse density modulation; H-bridge; spread spectrum mode

来说，偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗

1 引言

目前便携式消费类电子产品（如：手机、MP3、PDA、便携式GPS等）日益流行，这对电池工作时间和寿命的要求也日益增强，以效率高、低失真为特点的D类功率放大器就开始广泛地应用于这些产品中。在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。音频放大器可分为A类、AB类、B类和D类放大器。D类放大器与线性音频放大器（如A类、B类和AB类）相比，在功效上有相当的优势。对于线性放大器（如AB类）

大量功率。而D类放大器的晶体管只是作为开关使用的，用来控制流过负载的电流方向，这样输出级的功耗极低。D类放大器的功耗主要来自输出晶体管的导通阻抗、开关损耗和静态电流开销，这样使D类放大器对散热器的要求大为降低，甚至可省掉散热器，使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，节省印制电路板（PCB）面积和成本，并且能够延长便携式系统电池的寿命。

本文对D类音频功率放大器与传统的音频功放进行了分析和比较，然后对D类音频功率放大器的工作原理、系统结构和两种拓扑结构进行了详细的分析和

收稿日期：2008-01-04

D类音频功率放大器的分析和设计要素

第8卷第6期

电子与封装

D类放大器简化框图。它包括一个脉宽调制器，两个输出MOSFET和外部低通滤波器（LF和CF）。如图2所示，p沟道和n沟道MOSFET用作电流导向开关，将其输出节点交替连接至VDD和地。由于输出晶体管使输出端在VDD或地之间切换，所以D类放大器的最终输出是一个高频方波。大多数D类放大器的开关频率（fSW）通常在250kHz~1.5MHz之间。音频输入信号对输出方波进行脉宽调制，音频输入信号与内部振荡器产生的三角波（或锯齿波）进行比较，可得到PWM信号。这种调制方式通常被称作“自然采样”，其中三角波振荡器作为采样时钟。方波的占空比与输入信号电平成正比。没有输入信号时，输出波形的占空比为50%。图3为PWM输出波形。

研究，最后对具有低功耗、低失真、高效率等高性能D类音频功放设计的难点和要点进行了研究，并提供了可行的解决方案。

2 D类音频功率放大器的分析

2.1 D类音频功放和其他音频功放的比较2.1.1 AB类放大器

AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真，交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。具有效率较高、晶体管功耗较小的优势。

图1 AB类功率放大器图2 半桥式D类放大器功能图

2.1.2 D类放大器

D类音频功率放大器[1]是一种将输入模拟音频信号通过PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的调制变换成脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断的音频功率放大器，也称为开关放大器。

其优点[2]为：具有很高的效率，通常能够达到85%以上；体积小，比模拟的放大电路节省很大的空间；无裂噪声接通；低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。2.2 D类音频功放的工作原理

D类放大器[3]是将输入前置放大器对信号进行滤波和电平转移，另外还包括锯齿波振荡器、两个比较器、两个MOSFET和两个H桥。每一个比较器采样音频信号，采样周期由振荡频率决定，故振荡器频率对D类放大器的性能影响很大。比较器输出脉宽调制的方波，用于驱动H桥。H桥输出差动方波，构成低阻信号源给LC滤波器和负载。

D类放大器使用多种调制器拓扑结构，而最基本的拓扑组合了脉宽调制（PWM）以及三角波（或锯齿波）振荡器[4]。图2给出一个基于PWM的半桥式为了从PWM波形中提取出放大后的音频信号，将D类放大器的输出信号通过低通滤波器来恢复音频信号。图2中的LC低通滤波器作为无源积分器（假设滤波器的截止频率比输出级的开关频率至少低一个数量级），它的输出等于方波的平均值。

图3 输出信号脉宽与输入信号幅值成正比

此外，低通滤波器可防止在阻性负载上耗散高频开关能量。假定滤波后的输出电压（VO_AVG）和电流（IAVG）在单个开关周期内保持恒定，因为fSW比音频输入信号的最高频率要高得多。因此，占空比与滤波后的输出电压之间的关系，可通过对电感电压和电流进行简单的时域分析得到。

D类音频功率放大器的分析和设计要素

第8卷第6期倪磊：D类音频功率放大器的分析和设计要素

流经电感的瞬时电流为：

（4）

（1）fOSC是振荡器频率，tON和tOFF是MOSFETs的开关其中，VL（t）是电感瞬时电压。

时间，开关频率为1MHz，产生的效率损耗是250kHz开关频率时的4倍。考虑电阻损耗和开关损耗，其效率如下：

　　（5）

故负载电阻相对其他电阻的比值越大则效率越高。假设CMOS晶体管导通电阻是0.3Ω，则有输出接4Ω的喇叭，其效率大概在87%左右；输出接8Ω的喇叭，其效率为93%。除了导通电阻的损耗以外，还有前面提到的开关损耗、偏置电流损耗、输入电容充电损耗等，所以一般的D类放大器在8Ω负载时效率为85%左右。可以看出，D类放大器的效率仍要比目前市场上广泛采用的AB类放大器效率高很多。

输出功率为10W时，D类放大器只需12W左右的功率，而AB类则需20W左右的功率。故选用D类放大器可节省功耗。

图4 滤波器电感电流和电压波形

利用开关波形占空比来表示 …… 此处隐藏：8562字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……