D类音频功率放大器设计

丁冠丛

摘 要：本文首先就D类音频放大器的基本概念进行了一定的分析，然后简要的阐述了其系统结构，最后根据这些概念综合性的给出D类音频功率放大器的设计要素及解决方案，供相关人士做参考。

关键词：功率放大器；调制器；拓扑结构

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

1 引言

从整体上对音频放大器进行划分可以分为四种，其中D类放大器占据的优势性比较大，是比较理想的应用型音频放大器。D类功率放大器主要优势在于其功耗较小，在器件的组合上D类放大器绝大多数情况下只是充当一个开关的作用，其最主要的额外功耗在于晶体管的阻抗所致，由于其对散热装置的需求很低，因此D类放大器能够在很大程度上增加电池的使用寿命。

2 D类音频功率放大器的分析

（1）D类音频功放和其他音频功放的比较。

1）AB类放大器。AB类放大器的主要特点可以从两个方面出发，一个是B类放大器的交越失真，另外一个是AB类放大器消除交越失真的情况，二者主要形成一个对比的作用。由于AB类放大器在其晶体管的导通时间上有一定的特殊性，这段导通时间通常情况下会比半周期持续的时间要长，因此在两管推挽的特点之下AB类放大器交替失真的特性能够在很大程度上消除交越失真的影响。2）D类放大器。D类放大器在性能上和AB类放大器有着明显的区别，在PWM和PDM的作用之下D类放大器能够将输入进来的模拟音频信号通过一定的转换作用而形成相应的脉冲信号。由于D类放大器在作用上大部分是充当一个开关的作用，因此也被称之为开关放大器。

相比较其他放大器而言，D类放大器的效率非常高，除此之外，其体积小的特点能够为设备提供更大的空间，而在失真方面其概率低的特点使得D类放大器在调试和应用上都能够保持很大的稳定性。

（2）D类音频功放的工作原理 。D类音频放大器在工作中主要的功能是在于将输入的部分信号进行一定的转换，经过相关的滤波处理之后能够有效的使得电平进行转移。振荡器在D类音频放大器中的作用至关重要，其振荡周期在发生变化的情况下对整个采样周期的影响都是非常大的。

PWM和锯齿波振荡器的组合形成了D类放大器的调制器拓扑结构，除此之外经过脉宽调制器和低通滤波调制器的作用之下能够很好的作为一种开关导向的功能，其功能的应用主要是为了把控电流的输入。三角波振荡器的作用主要是为了在输入信号的整合中起到一个采样功能，当输入信号充足的情况下，随着方波的增长信号电平也会随之增长，而当输入信号缺乏的情况下，会出现一半波形存在占空比的现象。

由于D类音频放大器的主要目的在于在相关的波形中提取经过放大处理后的音频信号，因此需要在其中加入一个低频滤波器的协助使得整个输出信号得到相关的整合，而整合之后的输出信号需要达到原有音频信号的效果。三角波信号和输入信号的周期有着较大的差别，三角波信号的周期较短，而输入信号的周期较长，输入信号脉宽与输入信号幅度成一个正比的现象。

（3）D类放大器的功率。在实际应用中线性放大器的效率只有一半左右，但是D类放大器的效率是非常高的，通常情况能够达到八成以上。在计算开关损耗时的效率有一个计算的公式，导通电阻、滤波器电阻、无源电阻、负载电阻这四者之间通过一定的加法运算能够得到一个加值，而负载电阻和这个计算出来的价值进行比值计算就能够得到开关损耗时的效率。任何元器件都不可能存在零功率损耗的现象，最理想的元器件在设计时候只能尽可能的减少其功率上的损耗。

3 D类音频功放的设计要素及解决方案

（1）输出晶体管设计。为了能够在最大程度上降低D类音频放大器的功耗，在此在输出晶体管上的设计需要在开关损耗降低的理念之下进行。但是只是在开关方面引起注意以此来减少功耗的损失是不够的，由于在输出功率不同的情况下减少功耗的方案不同，因此需要结合实际中输出功率的大小具体的进行设计。在输出功率相对较大的情况减少功耗的侧重点在于传导损耗的降低，而在输出功率相对较小的情况下选择的是降低开关处的损耗。

（2）输出级保护。在有些情况下会出现输入電流过大的现象，在电流的影响之下会给整个电路造成过热的状况，因此在D类音频功率放大器的设计上还需要安置一个输出级保护设置。最为简单的输出级保护设置是以安全阈值的模式进行，为了防止整个电路出现过热的现象而烧坏电路板，应该根据热度而计算出相应的电流值，在电路中超过这个电流值（安全阈值）之后输出级会以关断的形式进行保护。

除了设置安全阈值的模式进行输出级保护，还可以使用欠压锁定保护装置。顾名思义，欠压锁定保护装置的含义在于电路中电源电压达不到标准值的情况下是不能够正常的进行工作。这种情况下也可以通过设置阈值来进行处理，只有电压高于阈值整个电路才正常的进行电压输出操作，达到电路的稳定运行。

（3）不完美失真和噪声。在人们对D类音频放大器的理解中是不会出现失真的现象，但是由于波段的种类繁多，因此在这些波段的影响之下D类音频放大器难免会存在部分失真和噪声的现象。造成这类现象的因素有几种，第一是由于PWM信号的影响，随着时间段的进行PWM信号在输出的过程中会存在部分抖动的情况，而这种抖动的出现主要原因在于分辨率受到部分限制。除此之外，在死区和开通关断的时间上存在一定的差别，同样的整个放大器也会受此影响而出现部分失真的现象。第二是由于二极管的一些特性所致，在输出电阻反作用的影响之下使得电源在给放大器供压的过程中会出现波动的状况，因此导致非线性影响的产生。

（4）滤波器设计。一个性能较好的滤波器对于整个D类音频放大器而言能够在宽带和THD上造成其特性的波动，而在滤波器的选择上基本没有一个统一的标准，具体还是需要视实际情况而定。巴特沃斯滤波器的应用是最为广泛的，由于其通带在输出的过程能够保持一个稳定的状态，因此造成良好的相位响应能够很好的减少其波动性的影响。

4 结语

当D类音频功率放大器在设计上能够科学进行的条件之下，对于电子产品电池续航能力的提升有着很大的帮助。虽然D类音频功率放大器的优势性比较明显，但是相关人员不能在对其改进上有所懈怠。

参考文献：

[1]林雨佳.一款高性能音频功率放大器的设计[D].辽宁大学，2013.

[2]谭一秋.音频功率放大器在笔记本电脑中的应用研究[D].苏州大学，2009.

[3]刘兆军.基于双极工艺的音频功率放大器设计[D].西安电子科技大学，2008.endprint