D类功率放大器原理与应用技术进展
毕业设计
学生姓名李信学号170906016 院(系) 物理与电子电气工程学院
专业电子信息科学与技术
题目D类功率放大器原理与应用技术进展指导教师杨军副教授
2013 年 5 月
摘要：本文分析了D类放大器的基本电路结构，包括反馈对电路性能的改善，D类拓扑-半桥与全桥以及无滤波器调制器，研究了D类放大器的应用技术及其进展。D类放大器采用先进的调制技术，可使各种应用免去外部滤波器并降低电磁干扰。省掉外部滤波器不仅降低了电路板的空间要求，同时也大幅降低了很多便携式便携式应用的成本，因而有较好的市场应用前景。
关键词： D类放大器，D类音频功率放大器，大功率，D类发展前景
Abstract：The basic structure of the circuit of class D amplifier is analyzed in this paper, Including feedback on circuit performance improvement, Class D half-bridge and full-bridge topology - and no filter modulator, Application and progress of the class D amplifier. Advanced modulation technology is used by class D amplifier. can make various applications from external filter and reduce electromagnetic interference. Skip the external filter not only reduces board space requirements, but also greatly reduces the cost of many portable portable applications, so it has a good market prospect.
Keywords：Class D amplifier, Class D audio power amplifier, high-power, D development prospects
目录
1 引言 (3)
2 功放的基本知识 (3)
2.1 功放的分类 (3)
2.2 功放的工作原理及特点概述 (3)
2.3 D类功率放大器的特点 (4)
3 D类功率放大器的原理图 (5)
3.1 经典D 类功放 (5)
3.2 D 类功放原理简图 (5)
4 D类功放的应用技术进展 (8)
4.1反馈对电路性能的改善 (8)
4.2 D类拓扑-半桥与全桥 (9)
4.3无滤波器调制器 (10)
4.4应用技术举例 (12)
4.5 D类音频功率放大器的工作原理 (13)
5 D类功率放大器的前景 (14)
结论 (16)
参考文献 (17)
致谢 (18)
1 引言
D类功率放大器由于效率高，产生的热量少，节能、数字化、体积小、重量轻等优点被越来越多的先进设备应用着。如D 类音频功放虽然保真度不及传统功放，但具有效率高、体积小、输出功率大、低EMI、具备多种工作模式等优点，逐渐成为了便携式设备(如PDA)中不可替代的产品。全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快开发高效、节能、数字化的音频功率放大器，它应该具有工作效率高，便于与其他数字化设备相连接的特点。正是由于这些优点以及人们的迫切需求，各种基于D类功放的产品被“千呼万唤始出来”。
近几年来，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进展，几家著名的研究机构及公司已经试验性地向市场提供了D类音频功率放大器评估模块及技术。这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子工业、商业界的特别关注，现在这一前沿的技术正迅猛发展，前景一片光明。
2 功放的基本知识
2.1 功放的分类
传统的功率放大器主要有A 类(甲类) 、B 类(乙类) 和AB (甲乙类)，除此之外，
还有工作在开关状态下的D类（丁类）功放。
2.2 功放的工作原理及特点概述
A 类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器件，其晶体管总是工作在放大区，并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性放大区域，它的优点是输出信号的失真比较小，缺点是输出信号的动态范围小、效率低，理想情况下其效率为50% ，考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损耗，A 类功率放大器的最高效率仅为45%左右。
B 类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50% ，因为其晶体管只在输入信号的正半周工作在放大区，在输入信号的负半周是截止的。它的优点是效率理想情况下可达78.5% ，比A类的提高了很多，其缺点是非线性失真却比甲类功放大，而且会产生交越失真，增加噪声。
AB类(甲乙类) 功率放大器是以上两种放大器的结合，使每个功率器件的导通时间在
50%～100%。此类放大器目前最为流行，它兼顾了效率和失真两方面的性能指标，在设计该功率放大器时要设置功率晶体管的静态偏置电路，使其工作在甲乙类状态。这类功放失真小于乙类功放，但其效率比乙类功放要低一些。
D类功率放大器又叫开关型功率放大器，现在又有人称之为数字功率放大器。它利用晶体管的高速开关特性和低的饱和压降的特点，效率很高，理论上可以达到100%，实际上可以达到90%。此电路不需要严格的对称，也不需要复杂的直流偏置和负反馈，使稳定性大大提高。用同样的功耗的管子可得到比AB类放大器高4倍功率的输出。
D类功放的功率器件受一高频脉宽调制( PWM) 脉冲信号的控制，使其工作在开关状态，理论上其效率可达100%。因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积，在体积、效率和功耗上要求较高的场合具有很大的优势。另外，现代保真音响系统常采用数字音频设备如CD、DAT（digital audio tape），近年发展起来的DVD、计算机多媒体设备、MP3等也都是数字音频信号源。数字音频信号采用脉冲编码调制技术（PCM），信号分辨率通常为12位或16位，采样频率为44.1KHZ（CD）或48KHZ（DAT）。由于数字信号在存储、传输和数据出来上的优点，使人们开始追求数字式功放代替传统的模拟功放，这也使得D类功率放大器受到更大的关注。D类放大器虽然具有很高的效率，但由于功率晶体管的开关工作方式，D 类放大器引入的失真通常大于线性放大器，这是目前D 类放大器在音频放大领域并未得到广泛应用的主要原因。随着半导体及微电子制造技术的不断发展，高速、大功率器件已越来越多，人们对音频功率放大器的要求更加趋向高效、节能和小型化，所以D 类(丁类) 音频功率放大器越来越受到人们的重视。
2.3 D类功率放大器的特点
（1）效率高，产生的热量少
（2）节能、数字化、体积小、重量轻
（3）失真较大
D类功放的失真比较起其他几类功放来说，其失真较大，这也是D类功放一直以来都未投入市场的主要原因之一。但由于近年来对该类功放的保真度的大力研究，使得D类功放成为最近几年内的热门研究重点。
3 D 类功率放大器的原理图
3.1 经典D 类功放
经典D 类攻放主要由脉冲宽度调制器、开关放大器和低通滤波器等三部分组成，结构如图所示
3.2 D 类攻放原理简图
D 类放大器工作在开关状态下可以采用脉宽调制(PWM)模式。利用PWM 能将音频输入信号转换为高频开关信号[9]。通过一个比较器将音频信号与高频三角波进行比较，当反相端电压高于同相端电压时，输出为低电平;当反相端电压低于同相端电压时，输出为高电平[8]。 现代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。图1给出一个基于PWM 的半桥式D 类放大器简化框图。它包括一个脉宽调制器，两个输出MOSFET ，和一个用于恢复被放大的音频信号的外部低通滤波
图1 D 类攻放原理简图
器(LF 和CF)。如图所示，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 低通 滤波器 音频 输出
开关 放大器 脉冲 调制器 音频 输入
输出是一个高频方波。大多数D 类放大器的开关频率(f SW )通常在250kHz 至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2显示了不同输入信号电平下所产生的PWM 输出波形。
图2 输出信号脉宽与输入信号幅值成正比
为了从PWM 波形中提取出放大后的音频信号，需将D 类放大器的输出送入一个低通滤波器。图1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。此外，低通滤波器可防止在阻性负载上耗散高频开关能量。假设滤波后的输出电压(VO_AVG)和电流(IAVG)在单个开关周期内保持恒定。这种假设较为准确，因为f SW 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间域分析得到。
流经电感的瞬时电流为： ()()dt t V L
t I L L ?=1 (Eq1) 其中，VL(t)是图1中使用符号法则后的电感瞬时电压。
由于流入负载的平均电流(IAVG)在单个开关周期内可以看作是恒定的，所以开关周期(T SW )开始时的电感电流必定与开关周期结束时的电感电流相同，如图3所示。
借助数学术语，可用以下等式表示： ()()()0I -T I dt t V L 1L sw L T 0
L sw =? (Eq2)
图3 基本的半桥式D 类放大器中，滤波器电感电流和电压波形
等式2表明，电感电压在一个开关周期内的积分必定为0。利用等式2并观察图3给出的V L (t)波形，可以看出，各区域面积(A ON 和A OFF )的绝对值只有彼此相等，等式2才能成立。基于这一信息，我们可以利用开关波形占空比来表示滤波后的输出电压：oFF N A A =o (Eq3)
()oN o DD N t V V A ?-=o (Eq4)
oFF o FF t V A ?=o (Eq5)
将等式4和5代入等式3，得到以下等式：()oFF oN D D t V t V V ?=?-o o (Eq6)
最后，得到V O 的表达式：D V t t t V V DD oFF
oN oN DD o ?=+?
= (Eq7) 式中D 是输出开关波形的占空比。
4 D 类功放的应用技术进展
4.1反馈对电路性能的改善
许多D 类放大器采用PWM 输出至器件输入的负反馈环路。闭环方案不仅可以改善器件的线性，而且使器件具备电源抑制能力。开环放大器却正相反，它的电源抑制能力微乎其微(如果有的话)。在闭环拓扑中，因为会检测输出波形并将其反馈至放大器的输入端，所以能够在输出端检测到电源的偏离情况，并通过控制环路对输出进行校正。闭环设计的优势是以可能出现的稳定性问题为代价的，这也是所有反馈系统共同面临的问题。因此必须精心设计控制环路并进行补偿，确保在任何工作条件下都能保持稳定[3]。
典型的D 类放大器采用具有噪声整形功能的反馈环路，可极大地降低由脉宽调制器、输出级以及电源电压偏离的非线性所引入的带内噪声。这种拓扑与用在Σ-Δ调制器中的噪声整形类似。为阐明噪声整形功能，图4给出了一个1阶噪声整形器的简化框图。反馈网络通常包含一个电阻分压网络，但为简便起见，图4的反馈比例为1。由于理想积分器的增益与频率成反比，图中积分器的传递函
图4 D 类放大器的控制环路包含1阶噪声整形电路，可将大部分噪声推至带外
数也被简化为1/s 。同时假定PWM 模块具有单位增益，并且在控制环路中具有零相位偏移。使用基本的控制模块分析方法，可得到以下输出表达式
()()()s E s
s s V s s V n IN o ?++?+=111 (Eq8) 由等式8可知，噪声项E n (s)与一个高通滤波器函数(噪声传递函数)相乘，而输入项
V IN (s)与一个低通滤波器函数(信号传递函数)相乘。噪声传递函数的高通滤波器对D 类放
大器的噪声进行整形。如果输出滤波器的截止频率选取得当，大部分噪声会被推至带外(图4)。上述例子使用的是1阶噪声整形器，而多数现代D类放大器采用高阶噪声整形拓扑，以便进一步优化线性和电源抑制特性[4]。
4.2 D类拓扑-半桥与全桥
很多D类放大器还会使用全桥输出级。一个全桥使用两个半桥输出级，并以差分方式驱动负载。这种负载连接方式通常称为桥接负载(BTL)。如图5所示，
图5 传统的全桥式D类输出级，使用两个半桥输出级对负载进行差分驱动
全桥结构[10]是通过转换负载的导通路径来工作的。因此负载电流可以双向流动，无需负电源或隔直电容[6]。
图6展示了传统的、基于PWM的BTL型D类放大器输出波形。在图6中，各输出波形彼此互补，从而在负载两端产生一个差分PWM信号。与半桥式拓扑类似，输出端需要一个外部LC滤波器，用于提取低频音频信号并防止在负载上耗散高频能量。
图6 传统的全桥式D类输出波形彼此互补，在负载两端产生一个差分PWM信号全桥式D类放大器除具有与AB类BTL放大器相同的优点外，还具有高效特性。BTL放大器的第一个优点是，采用单电源供电时输出端不需要隔直电容。半桥式放大器则不然，因为它的输出会在VDD与地之间摆动，空闲时占空比为50%。这意味着它的输出具有约VDD/2的直流偏移。全桥式放大器中，这个偏移会出现在负载的两侧，输出端的直流电流为零[5]。它们具有的第二个优点是，在相同的电源电压下，输出信号摆幅是半桥式放大器的2倍，因为负载是差分驱动的。在相同电源电压下，理论上它可提供的最大输出功率是半桥式放大器的4倍。
然而，全桥式D类放大器所需的MOSFET开关个数也是半桥式拓扑的2倍。一些人会认为这是它的缺点，因为更多的开关意味着会产生更多的传导和开关损耗。然而，这仅对于大功率输出的放大器(> 10W)是正确的，因为它们需要更高的输出电流和电源电压。有鉴于此，半桥式放大器凭借微弱的效率优势，而常常在大功率应用中被采用。大多数大功率的全桥式放大器在驱动8Ω负载时，功效在80%到88%之间。然而，当每个通道向8Ω负载注入高于14W的功率时，类似MAX9742的半桥式放大器可获得90%以上的效率。
4.3无滤波器调制器
传统D类放大器的一个主要缺点就是它需要外部LC滤波器[4]。这不仅增加了方案总成本和电路板空间，也可能因滤波元件的非线性而引入额外失真。幸好，很多现代D类放大器采用了先进的"免滤波器"调制方案，从而省掉或至少是最大限度降低了外部滤波器要求。
图7 该简化功能框图展示了MAX9700免滤波器D 类调制器的拓扑
图7给出了MAX9700免滤波器调制器拓扑的简化功能框图。与传统的PWM 型BTL 放大器不同，每个半桥都有自己专用的比较器，从而可独立控制每个输出。调制器由差分音频
图8 MAX9700免滤波器调制器拓扑的输入和输出波形
信号和高频锯齿波驱动[7]。当两个比较器输出均为低电平时，D 类放大器的每个输出均为高。与此同时，或非门的输出变为高电平，但会因为R ON 和C ON 组成的RC 电路而产生一定延
时。一旦或非门延时输出超过特定门限，开关SW1和SW2即会闭合。这将使OUT+和OUT-变为低，并保持到下个采样周期的开始[7]。这种设计使得两个输出同时开通一段最短时间(t ON(MIN))，这个时间由R ON 和C ON 的值决定。如图8所示，输入为零时，两个输出同相并具有
t ON(MIN)的脉冲宽度。随着音频输入信号的增加或减小，其中一个比较器会在另一个之前先翻
转。这种工作特性外加最短时间导通电路的作用，将促使一个输出改变其脉冲宽度，另一个输出的脉冲宽度保持为t ON(MIN) (图8)。这意味着每个输出的平均值都包含输出音频信号
的半波整流结果。对两路输出的平均值进行差值运算，便可得到完整的输出音频波形。
由于MAX9700的输出端在空闲时为同相信号，所以负载两端没有差分电压，从而最大限度降低了静态功耗，并且无需外部滤波器。Maxim 的免滤波器D 类放大器从输出中提取音频信号时并不依靠外部LC 滤波器，而是依靠扬声器负载固有的电感以及人耳的听觉特性来恢复音频信号。扬声器电阻(R E )和电感(L E )形成一个1阶低 通滤波器，其截止频率为：12C E E
f L R π=? (Eq8) 对大多数扬声器而言，这个1阶滚降足以恢复音频信号，并可防止在扬声器电阻上耗散过多高频开关能量。即使依然存在残余开关能量使扬声器组件产生运动，这些频率也无法被人耳听到或影响听觉感受。使用免滤波器D 类放大器时，为获得最大输出功率，扬声器负载应保证在放大器开关频率下仍为感性负载。
4.4应用技术举例
ADI 公司提供各种D 类放大器IC1，它们含有可编程增益放大器、调制器和功率输出级。为了简化评估，ADI 公司为每种类型的放大器提供了演示板。这些演示板的PCB 布线和材料清单可以作为切实可行的参考设计，从而帮助客户迅速设计经过验证、经济有效的音频系统而无须为解决D 类放大器主要设计问题做“重复性的工作”。
例如，可以考虑使用AD19902，AD19923，AD19944和AD199655双放大器IC 系列产品，它们适合要求两个通道每通道输出达到5，10，25和40W 的中等功率的立体声或单声道应用。下面是这些IC 的一些特性：
AD1994 D 类音频功率放大器包含两个可编程增益放大器、两个Σ-Δ调制器和两个功率输出级以在家庭影院、汽车和PC 音频应用中驱动全H 桥连接的负载。它产生的开关波形可驱动两个25W 立体声扬声器，或一个50W 单声道扬声器，具有90%的效率。其单端输入施加到一个增益可设置为0，6，12和18 dB 的可编程增益放大器（PGA ），以处理低电平信号。
AD1994具有集成保护以防止输出级受到过热、过流和冲击电流的危害。由于其特殊的时序控制、软启动和DC 失调校准，与静音相关的咔嗒声很微小。其主要性能指标包括0.001% THD ，105 dB 动态范围，大于60 dB 的PSR ，以及采用开关输出级连续时间反馈和优化的
输出级栅极驱动器。其1 bit Σ-Δ调制器尤其为D类应用增强以达到500 kHz平均数据频率，对于90%调制具有高环路增益，以及全调制稳定性。独立调制器方式允许驱动外部的大输出功率场效应管（FET）。
AD1994对于PGA、调制器和数字逻辑采用5 V电源，对于开关输出级采用8 V～20 V 高电压电源。相关的参考设计满足FCC B类EMI标准要求。当以5 V和12 V电源驱动6Ω负载时，其静态功耗为487 mW，在2×1 W输出功率条件下功耗为710 mW，在待机方式下功耗为0.27 mW。AD1994采用64引脚LFCSP封装，工作温度范围为?C40°C～+85°C。
4.5 D类音频功率放大器的工作原理
D类音频功率放大器的工作原理框图如图所示。将音频信号对一线性良好的高频三角波进行调制，既形成一PWM(脉冲宽度调制)波形。D类音频放大器一般采用异步调制方式，既在调制信号(音频信号)周期发生变化时，高频载波信号周期仍保持不变。这种调制方式的优点是当音频信号频率较低时，PWM波的载波个数成数量级增多，这对抑制高频谐波及减少失真非常有利，而且载波的边频带远离音频信号频率，故不存在载波边频带与基波之间的相互干扰问题。PWM波经倒相后驱动H桥式逆变器，PWM脉冲方波使对角方位的两个
，是一组等幅不等宽的正功率管轮流地且等间隔地导通与截止，在H桥的输出端电压U
d
负对称的脉冲列，脉冲的幅值等于电源电压E。为了得到不失真的音频信号，在H桥的输出端之间加入LC低通滤波器以滤除高频成分，在负载R 两端可得到功率放大的音频信号U
。
图为 D类音频功率放大器原理框图
5 D类功率放大器的前景
越来越多的D类放大器正用于有效驱动蜂窝电话、个人媒体播放器、笔记本电脑以及其他便携式消费设备中的扬声器，代表了这些应用的未来发展趋势。
D类放大器在过去的几代产品中已经得到了巨大的发展，在传统D类放大器中，用控制器将模拟或数字音频信号在被集成到功率后端设备中的功率MOSFET管放大之前转换成PWM信号。这些放大器效率很高，使用很小的散热器或根本不需要散热器，而且降低了对电源输出功率的要求。然而，与传统的A/B类放大器相比，它们本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的问题，解决这些问题就是D类放大器的发展新趋势。
ADI公司的D类放大器采用扩频脉冲密度调制技术以降低电磁干扰(EMI)，采用无滤波拓扑结构避免外部元件的使用，并采用高效架构使功耗最低，这些技术使它们成为各种应用的理想选择。此外，ADI公司D类放大器更低的功耗使其更加“绿色”，保护环境。
D类音频放大器优势明显
音频是D类放大器的典型应用，ADI公司新的D类音频放大器使音频处理器更具吸引力。ADAU1590、ADAU1592和ADAU1513是双通道D类放大器，在同类音频功率放大器中具有最佳的性能。这3款新的放大器在驱动8Ω负载时具有90%的额定功率效率和101dB动态范围。
D类放大器的应用越来越广，其应用仅受到市场需求与设计工程师专业技术的限制。例如，D类放大器非常适合驱动直流步进电机，在PWM控制应用中能够节省能量。
D类放大器与其他器件的集成将给整个D类放大器市场带来积极影响，中国会对该市场的增长做出重大贡献。不过，独立的D类放大器还将继续提升其性能、输出功率和效率。降低电磁干扰性能突出
对于D类放大器来说，PWM的一个替代方案是脉冲密度调制(PDM)。在PDM中，指定时间窗内的脉冲数量与音频信号的平均值成正比。
单个脉冲的宽度不像PWM时那样随意，而是被量化为调制器时钟周期的倍数。PDM中的高频能量分布在更广的频率范围内，而不是集中在载频倍频的音调中，从而使PDM在EMI 方面比PWM更有优势。时钟频率的镜像中仍包含部分能量，但时钟频率范围的典型值为3MHz～6MHz，镜像位于音频频带之外，很容易被LC低通滤波器滤除。PDM的另一个优势是：即使信号接近全调制，最小的脉宽也是一个采样时钟周期，这简化了门极驱动设计，并实现了理论上全功率的安全运行。
ADI推出的SSM2317系列就是采用PDM方案的D类放大器的典型产品。SSM2317是超
高效率D类音频的放大器，并且内置了ALC(自动电平控制)功能，这个功能可以根据改进动态范围的需要而被激活。具有ALC的放大器可以帮助解决扬声器较小引起的问题。虽然放大器本身在不增大工作电压的情况下无法提高其最大输出电压，并且也不能增大扬声器的功率，但是，它可以在播放音频的时候动态调整输出电压的有效值。SSM2317仅增加了一个电阻就可以调整阈值以防止瞬时杂音的产生。可见，通过内置ALC，D类放大器可以使移动电话等便携式设备具有最佳的效能。
EMI是D类放大器目前面临的一个问题，如果不能正确地理解和使用，D类输出的高频器件会产生大量EMI，并影响其他设备的运行。有两类EMI信号值得关注：被辐射进入空间的信号和通过扬声器和电源线传导的信号。某些板级设计技术可以减少辐射，但调制方案决定着传导与辐射EMI的基线频谱。ADI公司利用扩频脉冲密度调制使得辐射最小，并利用咔嗒声和爆米花噪声抑制电路实现导通和关断期间输出端电压毛刺的最小化，从而减少了激活和禁用情况下听得见的噪声。无滤波问题往往会被误解。早期的D类放大器需要大型的LC滤波器，以过滤高频开关分量。不过，随着调制技术的改进，扬声器电感可以作为滤波器使用。扬声器与人耳的结合，可以成为极好的低通滤波器，使开关噪声变得听不见。不过，由扬声器电感和寄生电容组成的低通滤波器还不是理想的滤波器，因此ADI 公司控制芯片的开关速度和信号沿变化率，以将电磁辐射减到最小。
结论
随着科技的发展，D类功放越来越多的被人们所应用，D类放大器的盛行也为人们带来了很多的便利。现代D类放大器除具有AB类放大器的所有优点(即良好的线性和最小的电路板空间)外，更具有高效优势。当前，有多种D类放大器可供选用，以满足各类应用需求。这些应用包括低功耗便携式应用(如蜂窝电话和笔记本电脑)，电池寿命、电路板空间和EMI兼容性要求在这类应用中至关重要；还包括大功率应用(如车载音响系统或平板显示器)，最大限度降低散热需求和发热量在这类应用中必不可少。对D类功放的了解越深入才可以避开一些错误的判断，使D类功放发挥出其最大的价值。
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致谢
本论文在完成过程中得到了杨军老师的悉心指导与帮助，在此表示衷心的感谢！