D类功率放大器
全遥控数字音量控制的D类功率放大器
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引言
几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形成从变压器输出到OTL、OCL、BTL形式过程。其基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。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。D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，它符合上述要求。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。
单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。在许多基于单片机的应用系统中，系统需要实现遥控功能，而红外遥控则是被采用较多的一种方法。红外遥控是通过红外管发送红外遥控编码对其设备进行控制的,不同设备的遥控发送的红外遥控编码都是不同的。由于红外无线解决了有线连接的许多不便，因而受到了家电设备厂商、电脑外围设备商、以及通信设备厂商的高度重视。
如果将遥控技术、单片机与D类音频功率放大器结合起来，那么得到的产品将是非常前沿的。本次设计就是全遥控数字音量控制的D 类功率放大器。
1 功放的基本知识
1.1 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。
1.2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。
1.3 D类功率放大器的特点
（1）效率高，产生的热量少
图1-1 D类功放与AB类功放的效率比较
（2）节能、数字化、体积小、重量轻
（3） D类功放与AB类功放的效率比较
比较条件：电源电压24V，负载4欧，1000HZ，连续输出，整机效率
（4）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。
输出功率（W） D类音频功率放大器模拟音频功率放大器
表1-1 D类功放与AB类功放的比较
2电路系统方案设计
效率（%）热功耗（W）效率（%）热功耗（W）
72 97 2 72 26
36 96 1.5 50 36
2.1 设计构思
本设计是利用Ti公司全D类音频功放芯片TPA3004D2和MCS51系列微处理器设计红外线遥控的数字音量控制立体声音频功率放大器。TPA3004D2是D类立体声音频功率放大芯片，具有每通道12W的功率输出，本方案将使立体声音量由直流电压实现–40 dB 到 36 dB增益范围调节。我们知道要很好地设计一个电路，必须在设计之前对此电路中所用到的器件的功能特性能够有一个全面的了解。在下面的介绍中将会先对两大模块进行说明，然后对模块中用到了8051单片机、EEPROM24C04、红外一体接收头、D/A转换器MAX541及D类功放芯片TPA3004D2的功能特性、工作原理及电路连接进行阐述。由于部分器件某些功能特性不常用或本电路没用到，在此就不多介绍。因为我们做事情就应该统领全局、抓住重点。
2.2 电路总体框图
电路总体框图如下图:
图3-1单片机模块原理图
3.1.2 红外一体接收头的功能特性及电路连接
（1）红外遥控的概念及特点
所谓遥控，就是指对被控对象，按照所预定的意图对其内部参数、工作状态等进行远距离操纵。遥控技术公现代工农业生产、科研、国防等领域均有非常广泛的应用，随着现代科技的发展，它们的应用也越来越普遍。
现代遥控技术也十分普遍地应用于各类家电中，例如电视遥控、电灯遥控、电风扇遥控、空调遥控等。这类应用提高了家电的功能和档次，更重要的是给使用者带来极大的方便。设有遥控的电视，使用者不必离开座位，只需要使用手持红外遥控器就可以进行节目切换，以及对音量、对比度、亮度等的调节。
遥控的种类很多，若以遥控信息传送方式来区分，可以分为：有线遥控和无线遥控两大类，而无线遥控又包含了红外遥控、超声波遥控和无线电遥控三类。有线遥控和无线遥控可以达到很远的距离，而红外遥控和超声波遥控只能在十几米之内，因此多用于家电方面。
红外遥控是以红外线作为载体来传送遥控命令的。红外线的波长介于红光和微波之间，0.77—3UM为近红外区，3—30UM为中红外区，30—1000UM为远红外区。红外线在通过云雾尘埃等充满悬浮粒子的物质时不易发生散射，有较强的穿透力，还具有不易受干扰，易于产生等优点，因此被广泛用语遥控装置。相比较前面两种遥控装置来看，红外遥控具有以下优点：
它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持：
·通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发；
·主要是用来取代点对点的线缆连接；
·新的通讯标准兼容早期的通讯标准；
·小角度，短距离，点对点直线数据传输，保密性强；
·传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布；
·不影响周边环境、不干扰其它电器设备。由于其无法穿透墙壁，所以不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。
（2）红外一体接收头的功能特性
红外接收电路选用Vishay公司生产的专用红外接收模块TSOP1738或者
图3-3 红外接收部分的电路连接
3.1.3 单片机8051的功能特性及电路连接
近些年来，单片机的发展速度很快，从有关资料提供的数据来看，单片机的产量已占整个微机(包括一般的微处理器)产量的80%以上，在1987年达90％。曾经占据8位微处理器产量约1/3的Z80CPU，1985年产量下降到1800万片，而8位单片机，1985年上升到2.1亿片，随着社会的进步和科学技术的发展，单片机的发展及对单片机的需求和它在各个领域中的应用将得到进一步扩大。
本课题用到的8051单片机是MCS-51系列单片机的一种型号，MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的一种高性能8位单片微型计算机。在MCS-51系列中，有两个子系列即51子系列和52子系列。在5l子系列中，主要有803l、8051、8751三种同档次机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内程序存储器(ROM)大小有所不同。52子系列是51系列的增强型，主要有8032、8052两种机型。与51子系列不同在于，片内数据存储器增至256个字节：片内程序存储器增至8KB（8032无片内程序存储器）；有3个16位定时器／计数器；有6个中断源。其它性能均与51子系列相同。它们可通过接口电路与外围设备相连构成可以完成各种控制功能的单片机系统。下面将会介绍此系列单片机的功能特性以及用到的8051单片机在设计中的电路连接。
（1）MCS-51系列单片机的基本结构框图如下图示：
图3-4 MCS-51系列单片机的基本结构框图
（2）51系列系统主要功能特性：
①1个由运算器和控制器组成的8位微处理器(CPU)；
②128KB的片内数据存储器(RAM)，用来存放运算的中间结果和最终结果；4KB 的片内程序存储器(ROM)，可用来存放程序、一些原始数据和表格；
③21B专用寄存器，主要用来实现对内部功能部件的控制和数据运算；扩展片外数据存储器的寻址范围可达到64KB；扩展片外程序存储器的寻址范围可达64KB；
④4个8位并行I/O接口P0、P1、P2、P3，既可用作输入，也可用作输出；
⑤1个全双工UART(通用异步接收发送器)串行I/O接口，可用于单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；
⑥2个16位定时器材数器，可用于根据确定的时间间隔或对外部事件计数的多少发出控制信号；中断系统有5个中断源，可编程为两个优先级；
⑦111条指令，含有乘法指令和除法指令；
⑧有很强的位寻址、位处理能力；片内采用单总线结构；
⑨片内带振荡器，振荡频率的范围为1.2—12MHz，可有输出；
⑩用单+5v电源。
（3）MCS-51单片机内部结构：
单片机内部各基本部件之间通过总线交换信息。所谓总线是信息流通的公共通道，总线上的信息可以同时输送给几个部件，但不允许几个信息同时输送给总线，否则将产生信息冲突。总线按传送信息不同来分，可分为数据总线(DB)、控制总线(CB)、地址总线(AB)。数据总线用于CPU、存储器、输入/输出接口之间传送数据，如从存储器取数到CPU，把运算结果从CPU送到外部设备等。数据总线是双向的，控制总线是传送CPU 发出的控制信号，也可以是其它部件输入到微处理器的信息，对于每一条控制线，其传送方向是固定的。地址总线用来传输CPU发出的地址信息，以选择需要访问的存储器和I/O接口电路。地址总线是单向的，只能是CPU向外传送地址信息。单片机采用上述三组总线的连接方式，常被称为三总线结构。MCS-51内部各部分的功能简述如下：
①微处理器(CPU)
微处理器又称CPU，是单片机的控制和指挥中心，由运算器和控制器两大部分组成。
?运算器
运算器以算术逻辑运算单元ALU为核心，含累加器A、暂存器1、暂存器2、程序状态字PSW、寄存器等许多部件。
?控制器
控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器、定时电路及控制电路等部件，能根据不同的指令产生相应的操作时序和控制信号。
②存储器配置概述
MCS-51单片机，片内除了CPU之外，还有存储器。其中，片内只读存储据(ROM)用作程序存储器，在计算机工作时，事先存入已编好的各种程序、常数等信息；片内读写存储器(RAM)又称随机存储器，它的存储单元的内容根据需要既可随时读出也可写入，用作数据存储器，存放输入、输出数据和中间计算结果．或与外存交换信息，以及作为堆栈，在必要时可保存断点、保存现场。MCS-51系列单片机内含有的存储器容量(以字节为单位)不够时，可以另外扩片外程序存储器或片外存储器。
（4）MCS-51系列单片机引脚功能及一些简单电路介绍：
下图2-3为MC-51系列单片机引脚图及逻辑符号，各引脚功能如下：
图3-5 MCS-51系列单片机引脚图及逻辑符号
①电源引脚Vcc和Vss
V cc(40脚)：电源端，接+5V。
V ss(20脚)：接地端。
通常Vcc和Vss之间应接高频和低频滤波电容。
②时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚)：接外部石英晶体和微调电容一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入。若使用外部时钟时，该引脚必须接地。
XTAL2(18脚)；接外部石英晶体和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出。若使用外部时钟时，该引脚作为外部时钟的输入端。
图2-4为利用石英晶振作为时钟输入的电路图。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率f osc为0.5—16MHz，典型值为12MHz或11.0592MHz。电容C01和C02可以帮助起振，典型值为30pf，调节它们可以达到微调f osc的目的。
图3-6 MCS—51OSC晶振连接图
③控制信号引脚ALE、PSEN、EA和RST
ALE／PROG(ADDRESS LA TCH ENABLE／PROGRAMMING，30脚)；地址锁
存信号输出端。在存取片外存储器时，用于锁存低8位地址。当单片机上电正常工作后，ALE端就周期性地以时钟振荡频率的1／6的固定频率向外输出正脉冲信号。此引脚的第二功能PROG是对片内带有4K字节EPROM的8751固化程序时，作为编程脉冲输入端。
PSEN(PROGRAM STORE ENABLE，29脚)：程序存储允许输出端。是片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。
EA／V pp（ENABLE ADDRSS／VOLTAGE PUL OF PROGRAMMING，3l脚)；程序存储器地址允许输入端。当EA为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时．将自动转向执行片外程序存储器指令。当EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。在8051中，当对片内EPROM编程时，该端接12V 的编程电压。
RST／VPD(9脚)：复位信号输入端。高电平有效，在此输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。复位以后，P0—P3口均为高电平，SP指针重新赋值为07H，PC被赋值为0000H。复位有自动上电复位和人工按钮复位两种，电路如图2-5所示。此外，该引脚还有掉电保护功能，若在该端接十5V备用电源，一旦在使用中V cc 突然消失(掉电)，则可以保护片内RAM中信息不丢失。
A 自动上电复位
B 人工复位
图3-7 MCS-51复位电路图
（5）MCS-51单片机I/O口概述
MCS-51单片机有4个8位并行输入/输出口，分别称为P0、P1、P2和P3口，每个口都是8位准双向口，这4个接口可以并行输入或输出8位数据，也可按位使用，即每一根输人/输出线都能独立作为输入或输出；每个端口都包括一个数据锁存器(即特殊功能寄存器P0--P3)，—个输出驱动器和输入缓冲器。作输出时数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲，但这四个通道的功能并不完全相同。
在无片外扩展存储器的系统中，这4个端口都可以作为准双向通用I/O口使用，但在具有片外扩展存储器的系统中，P2口可用作输出高8位地址，P0口作为双向总线，分时输出低8位地址和输入/输出数据。
图3-8 P0口的一位结构图
①P0口(P0.0—P0.7，39—32脚)：
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个LSTTL负载，在访问片外存储器时，它分时作为8位地址线和8位双向数据线。当P0口作为普通输入口使用时，应先向口锁存器写“1”。
从图2-6可以看出，P0口的输出驱动器中有两个场效应管，上面的管子导通，下面
的管子截止，输出为高电平；上面的管截止，下面的管导通，输出为低电平；上、下管均截止时输出浮空。P0口的输出驱动器中含有一个多路电子开关，当其接至口锁存器-Q 端时，作为双向I/O口使用。将“1”写至口锁存器时，上、下管均为截止，输出浮空。一般这时应外上拉电阻，将口线拉至高电平．否则，P0口输出的信号不确定。将“0”写至锁存器时，下管导通，输出低电平。作输入时，口锁存器应置“1”，保证从引脚读人的数据正确。
当多路开关接至地址/数据端时，P0口作为地址/数据端口使用，分时输出外部存储器的低8位地址(A0—A7)和传送数据(D0—D7)。由于存储器在被访问期间要求地址信号一直有效，而P0口是分时传输地址、数据信号，地址信号只在某个时间段出现，并非一直有效，所以需要由地址锁存允许信号ALE将低8位的地址锁存到外部地址锁存器中，接着P0口便输入/输出数据。P0口输出的低8位地址来源于程序计数器PC低8位、数据指针DPTR8位、R1或R0。
图3-9 P1口的一位结构图
② P1口(P1.0—P1. 7，1—8脚)：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位淮双向I/O口．P1口的每一位能驱动4个LSTTL 负载，P1口作为输入口使用时，应先向口锁存器写“1”。
输出时，将“1”写入P1口的某一位锁存器，则对应连接在-Q上的场效应管截止，该位的输出由内部的上拉电阻将引脚拉成高电乎，输出“1”。将“0”写入锁存器，则对应连接在-Q上的场效应管导通，该位的引脚输出低电平，即输出“0”。
输入时，口锁存器必须置“1”，使输出场效应管截止，这时该位引脚由内部上拉电阻拉成高电平，也可以由外部电路拉成低电平。此时，引脚的状态由外接的输出设备的输出状态决定。CPU读Pl引脚的状态时，实际就是读外部输出设备的输出信息。P1口作为输入线时，可以被任何TTL电路或MOS电路驱动。由于内部有上拉电阻，也可以被集电极开路或漏极开路的电路驱动。
图3-10 P2口的一位结构图
③P2口(P2.0—P2.7，21—28脚)：
P2口为准双向I/O口，有两种功能，对于内部拥有程序存储器，无须扩展外部ROM 且无外部ROM的应用场合(无高8位地址需求)，P2口可作为输入/输出口使用，直接与外部设备相连。P2口也可用于系统扩展的地址总线口，输出地址总线的高8位A8—A15。对于内部没有程序存储器的单片机(如8031)，一般情况下只能作为系统扩展的高8位地址总线输出口．而不能作为与外部设备相连接的输入/输出口。
P2口的输出驱动器有一个多路电子开关(MUX)，当MUX开关接至输出锁存器Q输出端时，P2口作为第一功能输出线，与P1口的功能相似；当MUX开关接至地址端时，
P2口的状态由CPU送出的地址确定：访问程序存储器时，地址来源于程序计数器PC 的高8位，输出地址A8—A15；访问数据存储器或I/O设备时，地址来源于数据指针DPTR的高8位DPH，特殊的采用间址寄存器R1或R0时，则P2口保持原有的地址信息不变。
图3-11 P3口的一位结构图
④P3口(P3.0—P3.7，10—17脚)：
P3口为准双向多功能I/O口，可以分别定义为第一功能输入/输出线或第二功能输入/输出线。当P3口定义为第一功能输入/输出出线时，第二功能翰出线总是高电平。此引脚输出电平取决于口锁存器的状态，当输出“1”时，写人口锁存器的数据从Q端输出，使输出场效应管截止，引脚由上拉电路拉成高电平；当输出“0”时，写人口锁存器的数据从Q端输出，使输入场效应管导通，引脚输出低电平。同样，P3口的某一位作为输入线时，该位口锁存器应保持“1”，使输出场效应管截止，引脚状态由外部输入电平所确定。
当P3口定义为第二功能输入输出线时，该位的口锁存器必须保持“1”，输出场效应管的状态由第二功能输出确定。P3口的第二功能定义如下：
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD(串行输出口)
P3.2 INT0(外部中断0输入口)
P3.2 INT1(外部中断1输入口)
P3.4 T0(定时器0外部输入口)
P3.5 T1(定时器1外部输入口)
P3.6 WR(写选通输出口)
P3.7 RD(读选通输出口)
3.1.4 EEPROM24C02的功能特性及电路连接
（1）EEPROM 概述
EEPROM是一种可用电气方法在线擦除和再编程的只读存储器。它既有RAM在连机操作中可读可改写的特性，又具有非易失性存储ROM在掉电后仍然能够保持所存储的数据的优点。写入的数据在常温下至少可以保持10年。
EEPROM芯片有两类接口：并行接口和串行接口芯片。并行接口EEPROM一般相对容量大、速度快、功耗大和价格贵，但读写方法简单。串行EEPROM芯片的特点是体积小、功耗低、价格便宜，使用中占用系统的信号线较少；但相对工作速度慢，读写方法稍许复杂些。对于那些需要存放有时需要改变特征代码或参数的系统，通常所需要的字节和写入的次数不会很多，写入速度也没太高要求，这种情况下采用串行EEPROM是非常合适的。
（2）24C02的特点简介
24C02（A）是一种采用CMOS工艺制成的128/256/512/1K/2K/4K/8K*8位/14位引脚的串行的可用电擦除可编程只读存储器。自定时写周期包括自动擦除时间不超过10MS，典型时间为5MS。而MICROCHIP公司的串行EEPROM的擦除和写入1个字节数据时间可缩短为1毫秒以下。串行EEPROM一般具有两种写入方式，一种是字节写入，一种是页写入，允许在一个写周期内同时对1个字节到一页的若干字节进行编程写入，一页的大小取决于芯片内页寄存器的大小，不同公司的同种型号存储器的页寄存器可能不一样。例如ATMEL的 AT24C01/01A/02A的页寄存器为4B/8B/8B，而MICROCHIP的24C01/01A/02A页寄存器都为2B，24AA01页寄存器为8B。擦除/写入周期寿命一般都已经达到10万次以上，有的产品已经达到1000万次。
采用单一电源+5V+/-0.1V，低功耗工作电流1毫安，备用状态时只有10微安；三态输出，与TTL电平兼容。一般商业品工作温度范围为0度—70度，工业品为-40度—85度。这个系列的芯片有8引脚DIP封装、8引脚SOIC封装形式，一部分型号还有14引脚SOIC封装形式。
该系列芯片是二线制
24C02的内部框图如下：
图3-12 24C02的内部框图结构
24C02（A）/04A/08A/16A支持
P1口。
图3-13 EEPROM24C02的电路连接
3.2 D类功放模块介绍
利用Ti公司全D类音频功放芯片TPS3004和MCS51系列微处理器设计红外线遥控的数字音量控制立体声音频功率放大器。TPS3004 D类立体声音频功率放大芯片具有每通道12W的功率输出，立体声音量由直流电压实现–40 dB to 36 dB增益范围调节，并能对用户设置参数实现掉电存储。
3.2.1 模块原理图
此原理图为设计电路的后半部分，此部分电路实现的功能是通过调节DAC MAX541的输出电压值以及调节两个电位器的阻值使它们的电压值为可调，从而达到控制D类功放音量的目的。
模块原理图如下：
图3-14 D类功放模块原理图
3.2.2 D/A转换器MAX541的功能特性及电路连接
（1）MAX541特点简介
MAX541高精度DAC是美国MAXIN公司生产的串口输入，电压输出的16位数模转换器，其特点是采用三线串行接口，并且输入采用施密特触发器结构，内置上电复位功能，功耗为1.5mW。工作于+5伏单电源，工作电流为0.3mA其电压输出范围是0V到2.5V。由于具有很低的功耗，无须调整即可得到16位的精度，所以非常适合于工业控制及仪器仪表等应用。
（2）MAX541的外观及引脚说明：
如图，MAX541是8脚DIP和SO封装，
图3-15 MAX541的外观
引脚功能说明如下：
CS\ 片选信号输入端；
VDD 接+5V电源端；
AGND 接模拟地端；
DGND 数字地端；
REF 参考电压输入端，接外部+2.5V电压；
SCLK 串行时钟输入端；
DIN 串行数据输入端；
OUT 数模转换电压输出端。
（3）MAX541的工作原理
请看下表，此表很直观明了地说明了MAX541的工作原理。模拟输出电压V OUT的范围可以由输入不同的数字代码来有规律地控制。当输入的16位数字代码为全零时输出电
压为0，当输入的16位数字代码为全1时输出电压约为V REF即2.5V。V OUT变化的规律是：16位数字代码由全0开始，每次加1一直到全1变化，对应的输出电压V OUT从0开始，每次增加V REF*（1/65536）。
数字输入代码模拟输出电压值V OUT 1111 1111 1111 1111 V REF*（65535/65536） 1000 0000 0000 0000 V REF*（32768/65536）
0000 0000 0000 0001 V REF*（1/65536）
0000 0000 0000 0000 0V
表3-1 数字输入代码与输出电压值对应表
我们还关心一个原理，就是怎样把16位的数字代码输入MAX541里面。请看下图，当片选端信号CS选通后（低电平有效），串行时钟输入端的时钟信号开始生效，在时钟信号的上升沿数据会同步地传输并锁存到DAC的数据输入寄存器中。当16位数据传输完后CS置1，然后进入下一轮的数据代码传输。
图3-16
（4）MAX541的电路连接
MAX541在本设计中的电路连接见下图，让它外接+5V电源，4、5、6脚接单片机的P1口实现串口通信。模拟地DGND和数字地AGND相接构成地线系统，为了消除高频和低频干扰，必须在REF与地之间接入退耦电容。由图可以看出，MAX541的输出电压及两个可调电位器分别接到了D类功放芯片的11（VOLUME）、10（VARMAX）和第9（VARDIFF）脚，通过调节这三个管脚的输入电压就可以达到控制此D类功放音量的目的。至于是怎样控制的在下面将会详细介绍。
图3-17 MAX541的电路连接
3.2.3 D类功放芯片TPA3004D2的功能特性及电路连接
（1）TPA3004D2的特性
此D类立体声音频功率放大芯片具有每通道12W的功率输出，立体声音量由直流电压控制，可以实现从–40 dB 到 36 dB增益范围调节。
（2）TPA3004D2的主要管脚功能
由于该芯片管脚较多，不可能也没必要一一说明其功能，下面就本设计所用到的管脚功能说明如下：
RINN（2）右声道音频输入的负极
RINP（3）右声道音频输入的正极
LINN（6）左声道音频输入的负极
LINP（5）左声道音频输入的正极
LOUTN（16、17）左声道音频输出的负极（两管脚接在一起）
LOUTP（20、21）左声道音频输出的正极（两管脚接在一起）
ROUTN（44、45）右声道音频输出的负极（两管脚接在一起）
ROUTP（40、41）右声道音频输出的正极（两管脚接在一起）
VARDIFF（9）结合VARMAX（10）与VOLUME（11）对输出设置增益
VARMAX（10）输入直流电压为VAROUT输出设置最大增益，（假如VAROUT没
用到VARMAX就要接地线）
VOLUME（11）在此管脚输入直流电压为VAROUT输出设置增益
A类、B类、AB类、C类、D类五种功率放大器
1、A类功放（又称甲类功放） A类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。 A类功放的工作方式具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失真（Switching Distortion），即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是声音最理想的放大线路设计。但这种设计有利有弊，A 类功放放最大的缺点是效率低，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。当讯号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。 A类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。A类功率功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。所以A类机的体积和重量都比AB类大，这让制造成本增加，售价也较贵。一般而言，A类功放的售价约为同等功率AB类功放机的两倍或更多。 2、B类功放（乙类功放） B类功放放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。纯B类功放较少，因为在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。B类功放的效率平均约为75%，产生的热量较A类机低，容许使用较小的散热器。乙类功放通常的工作方式分为OCL和BTL，BTL可以提供更大的功率，目前绝大部分的功率集成电路都可以用两块组成BTL电路。 3、AB类功放
D类数字功率放大器
3.3 D类数字功放 D类功放也叫丁类功放，是指功放管处于开关工作状态的功率放大器。早先在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地，认为A类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。但A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。后来效率较高的B类功放得到广泛的应用，然而，虽然效率比A类功放提高很多，但实际效率仍只有50%左右，这在小型便携式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合，仍感效率偏低不能令人满意。所以，如今效率极高的D类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视，并得到广泛的应用。 3.3.1 D类功放的特点与电路组成 1．D类功放的特点 （1）效率高。在理想情况下，D类功放的效率为100%（实际效率可达90%左右）。B类功放的效率为78.5%（实际效率约50%），A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。这是因为D类功放的放大元件是处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。 （2）功率大。在D类功放中，功率管的耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合，输出功率可达数百瓦。 （3）失真低。D类功放因工作在开关状态，因而功放管的线性已没有太大意义。在D 类功放中，没有B类功放的交越失真，也不存在功率管放大区的线性问题，更无需电路的负反馈来改善线性，也不需要电路工作点的调试。 （4）体积小、重量轻。D类功放的管耗很小，小功率时的功放管无需加装体积庞大的散热片，大功率时所用的散热片也要比一般功放小得多。而且一般的D类功放现在都有多种专用的IC芯片，使得整个D类功放电路的结构很紧凑，外接元器件很少，成本也不高。 2．D类功放的组成与原理 D类功放的电路组成可以分为三个部分：PWM调制器、脉冲控制的大电流开关放大器、低通滤波器。电路结构组成如图3.22所示。
D类功率放大器
D类功率放大器设计报告 指导老师：王全洲 制作者：张满归 制作时间：2010-6-20
1 引言 一般认为，功率放大器根据其工作状态可分为5类。即A类、AB类、B 类、C类和D类。在音频功放领域中，C类功放是用于发射电路中，不能直接采用模拟信号输入，其余4种均可直接采用模拟音频信号输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。其中D类功放比较特殊，它只有两种状态，即通、断。因此，它不能直接放大模拟音频信号，而需要把模拟信号经“脉宽调制”变换后再放大。外行曾把此种具有“开关”方式的放大，称为“数字放大器”，事实上，这种放大器还不是真正意义的数字放大器，它仅仅使用PWM调制，即用采样器的脉宽来模拟信号幅度。这种放大器没有量化和PCM编码，信号是不可恢复的。传统D类的PWM调制，信号精度完全依赖于脉宽精度，大功率下的脉宽精度远远不能满足要求。因此必须研究真正意义的数字功放，即全（纯）数字功率放大器。 数字功放是新一代高保真的功放系统，它将数字信号进行功率转换后，通过滤波器直接转换为音频信号，没有任何模拟放大的功率转换过程。CD唱机（或DVD机）、DAT（数字录音机）、PCM（脉冲编码调制录音机）都可作为数字音源，用光纤和同轴电缆口直接输出到数字功放。此外，数字功放也具备模拟音频输入接口，可适应现有模拟音源。 国外对数字音频功率放大器领域进行了二三十年的研究。在20世纪60年代中期，日本研制出8bit的数字音频功率放大器；1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构。但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，若要实现16bit、44.1KHz采样的功率放大器。随着数字信号处理(DSP)和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。 国内外一些从事数字信号处理的技术人员，专门研究音频数字编码技术，在不损伤音频信号质量的情况下，尽量压缩数据库。经过多次实验，终于将末级功放开关频率由没有压缩数据时的约2.8GHz减至小于1MHz，从而降低了对开
D类功率放大器简介
D类数字功放简介 D类功放也叫丁类功放，是指功放管处于开关工作状态的功率放大器。早先在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地，认为A类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。但A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。后来效率较高的B类功放得到广泛的应用，然而，虽然效率比A类功放提高很多，但实际效率仍只有50%左右，这在小型便携式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合，仍感效率偏低不能令人满意。所以，如今效率极高的D类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视，并得到广泛的应用。 一、D类功放的特点与电路组成 1．D类功放的特点 （1）效率高。在理想情况下，D类功放的效率为100%（实际效率可达90%左右）。B类功放的效率为78.5%（实际效率约50%），A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。这是因为D类功放的放大元件是处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。 （2）功率大。在D类功放中，功率管的耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合，输出功率可达数百瓦。 （3）失真低。D类功放因工作在开关状态，因而功放管的线性已没有太大意义。在D 类功放中，没有B类功放的交越失真，也不存在功率管放大区的线性问题，更无需电路的负反馈来改善线性，也不需要电路工作点的调试。 （4）体积小、重量轻。D类功放的管耗很小，小功率时的功放管无需加装体积庞大的散热片，大功率时所用的散热片也要比一般功放小得多。而且一般的D类功放现在都有多种专用的IC芯片，使得整个D类功放电路的结构很紧凑，外接元器件很少，成本也不高。 2．D类功放的组成与原理 D类功放的电路组成可以分为三个部分：PWM调制器、脉冲控制的大电流开关放大器、低通滤波器。电路结构组成如图3.22所示。
11.D类功率放大器
D类功率放大器 一．原理 D类功放也称为数字功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。传统模拟放大器有甲类、乙类、甲乙类和丙类等。一般的小信号放大都是甲类 功放，即A类，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以，能量转换效率很低，理论效率最高才25%。乙类放大，也称B类放大不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效卒高达78 5%。但因为这样的放大，小信号时失真严重实际电路都要略加一点偏置，形成甲乙类功放，这么一来效率 也就随之下降。虽然高频发射电路中还有一种丙类，即C类放大，效率可以更高，但电路复杂、音质更差，音频放大中一般都不采用。这几种模拟放大电路 的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号的大小控 制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自 身也在消耗电能。 D类功放采用脉宽调制（PWM）原理设计，其功放管工作在开关状态。在理想情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗。它在实际的工作中的功率消耗 所示： 主要由两部分构成：转换损耗和I2R损耗。转换损耗如图1-1 当开关式放大器输出在接通和断开之间切换，或断开和接通之间切换时通 过线性区域而消耗功率。在D类功放中开关管如果采用的是金属氧化物半导体 场效应晶体管（MOSFET管），它的开关导通电阻较小一般远远小于1Ω，所以 I2R损耗相对来说还是很小的。当达到最大额定功率时，D类放大器的效率在80％到90％的范围内。在典型的听音条件下，效率也可达到65％到80％左右，约为AB类放大器的两倍以上。 D类放大器可分为数字D类放大器与模拟D类放大器两类，数字D类放 大器一般用于数字音响领域，如CD信号的功率放大。模拟D类放大器一般可分为前置放大级、PWM调制、功率放大与低通滤波四个部分。其中PWM调制和功率放大是D类放大器的核心，PWM调制的一般方案有： （1）采用PWM调制芯片产生PWM信号，此类芯片可方便的产生PWM 信号，但一般对电源有要求，不利于整机单5v供电，并且很多情况下产生的PWM型号为方波。 （2）自己搭建PWM调制器，采用运放进行比较积分产生PWM信号。
A、B、AB、D类音频功率放大器
D 类音频功率放大器（Class D Audio Power Amplifier）
B 类、 近二十年来电子学课本上所讨论的放大器偏压(Bias)分类不外乎 A 类、 C 类等放大电路，而讨论音频功率放大器仅强调 A 类、B 类、AB 类而却把 D 类 放大器给忘掉了，事实上 D 类放大器早在 1958 年已被提出(注一)，甚至还有 E 类、F 类、G 类、H 类及 S 类等(注二)，只是这些类型的电路与 D 类很接近，运
用机会低，所以也就很少被提及。
音频功率放大器最大目的在提供喇叭得到最大功率输出，而卫衍生与电源 所供给功率不对等的关系，即所谓功率放大器的效率(输出功率与输入功率之比) 如表一所示: 偏压分类 理想效率 A类 25% AB 类
介于 A 与 B 类之间
B类 78.5%
D类 100%
表一 各類功率放大器的效率比
随着轻、薄、短、小手持电子装置的发展，诸如手机、MP3、PDA、IPOD 及 LCD TV…数位家庭等，寻求一个省电的高效率音频功率放大器是必然的。因 此最近几年音频功率放大器由 AB 类功率放大器转以 D 类功率放大器为主流。 如 图 1 所示(注三)，在实际应用上 D 类放大效率可达 90%以上远超过效率 50%的 AB 类放大。所以 D 类放大的晶体管散热可大大的缩小，很适合应用于小型化的 电子产品。
圖 1
D 類 及 AB 類效率比
A 类放大器(又称甲类放大器)的特点是不论是否输入信号，其输出电路恒有电流流 通，而且这种放大器通常是在特性曲线的线性范围内操作 ，如图 2 所示，以求放大后的 信号不失真。所以它的优点，是失真度小，信号越小传真度越高，最大的缺点是“功率 效益”（Power Efficiency）低，最大只有 25%，不输入信号时丝毫不降低消耗功率， 极不适合做功率放大。但因其高传真度，部分高级音响器材仍采用 A 类放大器。
图1
图 2(a)、(b)皆属 A 类放大器，设计时让 VCE=1/2VCC，以求最大不失真范围。注意到 Vi 不输入时仍有 0.5VCC/RL 的电流流过晶体管， 所以晶体管需要良好的散热环境 。 由于 “共 集极”组态（图 2(a) Common Collector 组态又称“射极跟随器”）转移特性曲线较“共 射极”组态（图 2(b) Common Emitter 组态）有较佳的线性度（亦即失真较低）及较低 的输出组抗，因此，同属于 A 类放大器，射级随耦器却较常被当成输出级使用（“共射 级”组态较常被当成“驱动级”使用）。
D类功率放大器原理与应用技术进展要点
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
D类功率放大器
D类功率放大器 摘要： 本系统以高效率D类功率放大器为核心，通过将三角波与放大的音频信号相比较获得PWM脉宽调制信号，控制由MOSFET管构成的对称H桥结构进行功率放大，再通过Butterworth滤波器低通滤波后输出，系统还能够进行功率的测量于显示。经测试，功率放大器效率达到66%，系统总体比较理想的实现了设计指标的要求。 关键词：D类功率放大器、PWM脉宽调制、H桥电路，Butterworth低通滤波器 目录 1方案论证与选择__________________________________________________ 2 1.1高效率功率放大器类型的选择____________________________________ 2 1.1.1高效率功率放大器类型的选择_________________________________________ 2 1.1.2高速开关电路_______________________________________________________ 2 1)输出方式__________________________________________________________ 2 2)驱动方式__________________________________________________________ 3 1.1.3滤波器的选择_______________________________________________________ 4 2单元电路设计____________________________________________________ 5 2.1D类功率放大器电路 ___________________________________________ 5 2.1.1D类放大器的工作原理： _____________________________________________ 5 2.1.2三角波发生电路_____________________________________________________ 6 2.1.3比较器: ____________________________________________________________ 7 2.1.4音频信号前置放大器： ______________________________________________ 10 2.1.5开关放大电路：____________________________________________________ 10 1)驱动电路：_______________________________________________________ 10 2)H桥互补对称输出电路： ____________________________________________ 10 2.1.6低通滤波器：______________________________________________________ 11 2.2信号变换电路________________________________________________ 12 2.3功率测量及显示电路 __________________________________________ 12 3软件设计_______________________________________________________ 12 4系统测试及改进方案_____________________________________________ 12 5结论___________________________________________________________ 14参考文献___________________________________________________________ 14附录1 主要元器件清单 ______________________________错误！未定义书签。附录2 程序清单 ____________________________________错误！未定义书签。附录3 印制版图 ____________________________________错误！未定义书签。
D类功率放大器
全遥控数字音量控制的D类功率放大器 福星电子网 提供单片机学习板，开发板，最小系统板；超声波测距实验应用板，各类器件仪表，详情请访问网站https://www.wendangku.net/doc/9a8124461.html,
引言 几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形成从变压器输出到OTL、OCL、BTL形式过程。其基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。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。D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，它符合上述要求。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。 单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。在许多基于单片机的应用系统中，系统需要实现遥控功能，而红外遥控则是被采用较多的一种方法。红外遥控是通过红外管发送红外遥控编码对其设备进行控制的,不同设备的遥控发送的红外遥控编码都是不同的。由于红外无线解决了有线连接的许多不便，因而受到了家电设备厂商、电脑外围设备商、以及通信设备厂商的高度重视。 如果将遥控技术、单片机与D类音频功率放大器结合起来，那么得到的产品将是非常前沿的。本次设计就是全遥控数字音量控制的D 类功率放大器。 1 功放的基本知识 1.1 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。 1.2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
D类放大器
模拟类：D类功率放大器 一、课程设计要求 （一）设计任务 设计、制作一个对微弱信号有放大能力的D类低频功率放大器。 （二）基本要求 在输入音频信号电压幅度为10~100mV，在负载电阻R L=8Ω的条件下，放大通道应满足： 额定输出功率：P0=1W； 带宽：B W≧5KHz; 在上述P0 ,B W范围内，非线性失真≤%7； 在P0下的效率大于80%； （三）扩展要求 1、单电源供电； 2、增加输出功率； 3、增加带宽； 4、提高效率； 二、设计方案 1．功率放大器的种类 我们知道，功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类、丁类（即D类）和戊类等多种工作方式。为了提高功率和效率，一般的方法是降低三极管的静态工作点及由甲类到乙类，甚至到丙类。甲类、乙类、甲乙类的工作效率均低于%，丙类效率高于%，但丙类放大器只适用于高频窄带放大，而作为低频功放的D类放大器理想效率最高能到100%。 D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率，实际电路效率也可达到80％一95％。 2．D类功率放大器实现电路的选择
1)脉宽调制器(PWM) 利用三角波发生器及比较器分别采用通用集成电路，便于各部分分别实现，方便调试，且能与后面电路使用同一电源输出，实现题目所述要求。 2)音频信号放大电路 将音频信号放大后再与三角波经比较器比较后实现PWM调制。 3）驱动电路 将施密特触发器并联使用，以便获得更大电流驱动后续电路。 4）高速开关电路 ①输出方式：方案一：选用推挽单端输出方式(电路如图2所示)。电路输出载波峰峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率满足不了题目要求。 方案二：选用H桥型输出方式(电路如图3所示)。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰峰值可达10V，有效地提高了输出功率,故选用此输出电路形式。 故选用方案二 ②开关管的选择：为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低功耗。 方案一：选用晶体三极管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使得整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大。 方案二：选用MOSFET场效应管。MOS管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用MOS管，其中老师给出的又有IRFD9120与IRFD120，IRF9540与IRF540，由于本题所要求输出功率为1W，经比较可知前者的功耗所能提供输出功率1W，后者功耗所能提供输出功率140W，经比较可知应选用IRFD9120与IRFD120。 故采用方案二 5）滤波器的选择
.d类功率放大器
D 类功率放大器 原理 D 类功放也称为数字功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态 . 传统模拟放大器有甲类、乙类、甲乙类和丙类等 ?一般的小信号放大都是甲类功 放，即A 类，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以， 能量转换效率很低，理论效率最高才25%?乙类放大，也称B 类放大不需要偏置， 靠信号本身来导通放大管，理想效卒高达78 5%.但因为这样的放大，小信号时失 真严重实际电路都要略加一点偏置， 形成甲乙类功放，这么一来效率也就随之下 降.虽然高频发射电路中还有一种丙类，即 C 类放大，效率可以更高，但电路复 杂、音质更差，音频放大中一般都不采用.这几种模拟放大电路的共同特点是晶 体管都工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号的大小控制输出的大小， 就 像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自身也在消耗电能 D 类功放采用脉宽调制(PWM )原理设计，其功放管工作在开关状态.在理想 情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时， 内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗.它在实际的工作中的功率消耗主要由 两部分构成：转换损耗和l 2F 损耗.转换损耗如图1-1所示： 转拱损耗区 换，或断开和接通之间切换时通过线性区域而消耗功率.在D 类功放中开关管如 果采用的是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFE 管)，它的开关导通电阻较 小一般远远小于1Q,所以I 2R 损耗相对来说还是很小的.当达到最大额定功率 时，D 类放大器的效率在80%到90%的范围内.在典型的听音条件下，效率也可 达到65%到80%左右，约为AB 类放大器的两倍以上. D 类放大器可分为数字D 类放大器与模拟D 类放大器两类，数字D 类放大 器一般用于数字音响领域，如 CD 信号的功率放大.模拟D 类放大器一般可分为 前置放大级、PWM 调制、功率放大与低通滤波四个部分.其中PWM 调制和功率 放大是D 类放大器的核心，PWM 调制的一般方案有： (1)采用PWM 调制芯片产生PWM 信号，此类芯片可方便的产生PWM 信 号，但一般对电源有要求，不利于整机单5v 供电，并且很多情况下产生的PWM 型号为方波. (2)自己搭建PWM 调制器，采用运放进行比较积分产生 PWM 信号. 1. PWM 调制分析 (1)从能量的角度来看，在每个 t 时间内，正弦波与所对应的脉宽波所包 含的能量等，这样调制后得到的脉宽调制波作用在一个惯性系统（ RLC ）后，其 当开关式放大器输出在 图1-1转换损耗的产生 接通和断开之间切
D类功放(参数设计好)
2.3 高效率音频功率放大器设计 2. 3.1 设计任务及要求 1. 设计任务 设计一个高效率音频功率放大器，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8Ω的电阻。 2. 设计要求 ○ 1 3dB 通频带为300Hz ～3400Hz 时，输出正弦信号无明显失真，最大不失真输出功率W 1≥，输入阻抗k Ω10>，电压放大倍数1～20连续可调； ○ 2 在输出功率500mW 时，功率放大器的效率（输出功率/放大器总功耗）%50≥； ○ 3 3dB 通频带扩展至300Hz ～20kHz 时，输出功率保持为m W 200。 2.3.2设计分析 音频功率放大器的目的，是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。衡量音频放大器优劣的主要性能，一是它的频率特性指标，包括频率响应、谐波失真度和互调失真度；二是它的时间特性指标，包括瞬态响应、瞬态互调失真和阻尼系数；三是信号噪声比、最大输出动态范围、最大功率和效率；尤其第三个方面的性能指标主要由功率放大器实现。传统的低频功率放大器主要有：A 类(甲类)、B 类(乙类) 及AB (甲乙类)。 A 类放大器的晶体管总是处于导通状态，即在一个输入信号周期内，功率器件都是导通的，也就是说没有信号输入时，晶体管也有输出功率，因此晶体管功耗非常大。因为通常有很大的直流偏置电流流过晶体管，而没有提供给负载，尽管其效率很低(约20%)，但精度非常高。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25 %。 B 类放大器采用两只晶体管推拉工作，每只晶体管工作半个周期：一只晶体管工作于输入信号的正半周，另一只晶体管则工作于输入信号的负半周，因此在理论上两只晶体管不会在同一时间内导通。在没有输入的情况下，两只晶体管均处于截止状态且无输出功率，因此其效率高于A 类放大器。由于晶体管都需要一定的开通时间，这样，在两只三极管交替工作过程中，输出端存在一个短暂的无输出功率状态，这个无功率区域称为交越区，这就造成了相对较大的信号失真。在理想情况下，其效率为75%，实际使用中，效率约为40%左右。 AB 类放大器与B 类放大器非常相似，由于AB 类放大器使用了小的直流偏置电流，使两只晶体管在同一时刻微导通以消除交越失真，因而其性能有所改善。AB 类放大器的效率(约
A类B类AB类C类D类五种功率放大器
1、A类功放(又称甲类功放) A类功放输出级中两个(或两组)晶体管永远处于导电状态,也就就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流,并使这两个电流等于交流电的峰值,这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时,两个晶体管各流通等量的电流,因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压,故无电流输入扬声器。当讯号趋向正极,线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流,下方的输出晶体管则相对减少电流,由于电流开始不平衡,于就是流入扬声器而且推动扬声器发声。 A类功放的工作方式具有最佳的线性,每个输出晶体管均放大讯号全波,完全不存在交越失真(Switching Distortion),即使不施用负反馈,它的开环路失真仍十分低,因此被称为就是声音最理想的放大线路设计。但这种设计有利有弊,A类功放放最大的缺点就是效率低,因为无讯号时仍有满电流流入,电能全部转为高热量。当讯号电平增加时,有些功率可进入负载,但许多仍转变为热量。 A类功放就是重播音乐的理想选择,它能提供非常平滑的音质,音色圆润温暖,高音透明开扬,这些优点足以补偿它的缺点。A类功率功放发热量惊人,为了有效处理散热问题,A类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低,供电器一定要能提供充足的电流。一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。所以A类机的体积与重量都比AB类大,这让制造成本增加,售价也较贵。一般而言,A类功放的售价约为同等功率AB类功放机的两倍或更多。 2、B类功放(乙类功放) B类功放放大的工作方式就是当无讯号输入时,输出晶体管不导电,所以不消耗功率。当有讯号时,每对输出管各放大一半波形,彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大,在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真,因此形成非线性。纯B 类功放较少,因为在讯号非常低时失真十分严重,所以交越失真令声音变得粗糙。B类功放的效率平均约为75%,产生的热量较A类机低,容许使用较小的散热器。乙类功放通常的工作方式分为OCL与BTL,BTL可以提供更大的功率,目前绝大部分的功率集成电路都可以用两块组成BTL电路。 3、AB类功放