PWM型D类音频功率放大器的设计
D类功放原理与设计
D类功放原理与设计D类功放是一种利用数字技术来增强音频信号的功率的放大器。
它是一种以数字方式来放大音频信号的功放，以取代传统的A、B、AB类功放。
相较于传统的类A、B、AB功放，D类功放具有更高的效能和更小的体积。
它的设计原理基于PWM（脉宽调制）技术和一个能将模拟信号转换为数字信号的模拟-数字转换器（ADC）。
D类功放工作在开关状态，将输入的模拟音频信号转换为数字信号。
这个数字信号经过时钟和滤波器的处理，输出的是一个PWM波形。
PWM波形有两个状态，即高电平和低电平。
这两个状态之间的切换频率即为PWM频率。
高电平和低电平的占空比（高电平的时间占总周期的比例）根据输入音频信号的幅度进行调整。
PWM波形输出通过一个低通滤波器进行平滑处理，得到放大后的音频信号。
在这个过程中，由于D类功放开关状态的工作，功率损耗很小，效率非常高，达到了90%以上，远高于传统功放的30%～60%。
D类功放的优势不仅体现在效率上，还包括尺寸小、重量轻、发热量少等。
这使得D类功放非常适合应用在便携式电子设备、汽车音响和家庭影院等领域。
另外，由于D类功放的输出波形是PWM波形，因此它对输出的音频信号几乎没有非线性失真，能够提供高保真的音质。
在设计D类功放时，需要考虑以下几个方面：首先，要选择合适的ADC和PWM控制器。
ADC应具有高精度和高采样率，能够准确地将模拟信号转换为数字信号。
PWM控制器应具有稳定的时钟频率，能够产生高质量的PWM波形。
其次，要设计合适的滤波器。
滤波器的作用是平滑PWM波形，去除其中的高频成分。
设计滤波器时需要考虑的参数有截止频率、阶数和选择合适的滤波器类型（如二阶有源滤波器）。
另外，还需要设计适当的保护电路。
因为D类功放工作在高频开关状态，过电流、过压和过热都可能对电路造成严重损害。
因此，需要设计过电流保护电路、过压保护电路和过热保护电路来确保功放的稳定运行和安全性能。
最后，输出级的功率管选取也是设计D类功放时需要考虑的关键问题。
毕业设计D类音频功率放大器设计
摘要本项目涉及高效节能、数字化、体积小、重量轻等特点的D类功率音频放大器。
适应便携设备高效及节能的客观要求。
顺应了市场的客观要求。
从而在音频集成领域具有很大的优势。
随着设计技术不断进步D类功率放大器的要求也在不断提高，本文通过基于CMOS工艺的D类功率音频放大器构成、驱动实现、失真度等方面的特性来进行电路的设计。
本课题的目标是设计一个D类音频功率放大器，能对音频信号进行放大，放大器的通频带达到300~3400HZ，输出功率1W，输出信号无明显失真。
根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H 桥互补对称输出及低通滤波模块等。
其中三角波产生器及比较器共同组成脉宽调制（PWM）模块，H 桥互补对称输出电路采用驱动电流小、低导通电阻及良好开关特性的VMOSFET 管，滤波器采用两个相同的四阶 Butterworth 低通滤波器。
关键词 : D类功率放大器 H桥驱动脉宽调制AbstractThis project involves a high efficiency and energy saving, digitization, small volume, light weight and other characteristics of the class D audio power amplifier. Adapt to the portable device and the objective requirements of high efficiency energy saving. Comply with the objective requirements of the market. Thus in the audio integrated field has a great advantage. With the continuous progress of design technology of D type power amplifier requirements are also rising, based on CMOS technology class D audio power amplifier structure, drive, distortion and other aspects of the characteristics of circuit design. The purpose of this paper is to design a class D audio power amplifier, can amplify the audio signal, the amplifier pass band to achieve 300 ~ 3400HZ, 1W output power, output signal without significant distortion. According to the principle of class D power amplifier are respectively designed preamplifier module, triangle wave generating module, comparator module, drive module, H bridge complementary symmetry output and low pass filter module. The triangle wave generator and comparator is composed of pulse width modulation ( PWM ) module, H bridge complementary symmetry output circuit adopts the drive current is small, low resistance and good switching characteristics of VMOSFET tube, filter using two identical four order Butterworth low pass filter.Key words: class D power amplifier H bridge driver pulse width modulation目录摘要 (I)第1章任务与要求 (1)1.1课题概述 (1)1.2 设计内容与要求 (1)1.3 参数要求 (1)第2章绪论 (2)2.1 研究背景 (2)2.2 论文研究目标和意义 (2)2.3 论文章节安排 (3)第3章方案论证与设计 (4)3.1 总体设计分析 (4)3.2 原理分析 (4)3.2.1 D类放大器的原理 (4)3.3 系统设计 (5)3.4 方案的设计与选择 (5)3.4.1 三角波模块方案的设计 (5)3.4.2 高速开关电路 (5)3.4.3 滤波器的选择 (6)3.4.4 信号变换电路 (6)3.4.5 功率测量电路 (6)第4章硬件电路设计 (8)4.1硬件电路 (8)4.1.1 三角波发生器 (8)4.1.2 放大电路 (8)4.1.3 脉宽调制比较器 (9)4.1.4 驱动电路、H桥及低通滤波电路 (10)4.1.5 保护电路 (11)4.1.6 信号变换电路 (12)4.1.7 真有效值转换电路 (12)第5章电路调试 (14)5.1 调试的设备 (14)5.2 硬件电路调试步骤 (14)5.2.1 不通电检查 (14)5.2.2 通电检查 (14)5.2.3 测试和调整 (14)5.2.4 整机联调 (15)5.3 实际测试的参数 (15)5.3.1 三角波发生器电路 (15)5.3.2 脉宽调制比较器 (16)第6章使用说明与总结 (17)6.1 使用方法 (17)6.1.2 注意事项 (17)6.2 故障分析 (17)6.3 总结 (17)6.2.1 原理图设计中要注意的事项 (17)6.2.2 安装过程总结 (17)6.2.3 单元电路调试总结 (17)6.2.4 PCB设计应注意的问题 (18)6.2.4 整机指标测试总结 (18)参考文献 (19)致谢 (20)附件A：总原理图 (21)附件B：PCB图 (22)附录C：元件清单 (23)第1章任务与要求1.1课题概述设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。
D类音频功率放大器的设计方案与测试
D 类音频功率放大器的设计与测试本系统由咼效率功率放大器（D 类音频功率放大器）、信号变换 电路、外接测试仪表组成，系统框图如图 1所示。
b ・ OluFf; *! ] W Yn.r -?.-.-击去vn g n图1系统方框图1. D 类功放的设计D 类放大器的架构有对称与非对称两大类， 在此讨论的D 类功 放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥 的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。
D 类 功率放大器由PWM 电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框 图如图2所示。
采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的 PWM fe 路，用 输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号 幅度储号变挟电路变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。
采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。
全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。
实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。
图2 D类音频功率放大器组成框图D类功率放大器的工作过程是：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，控制开关单元的开/关，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器工作。
2.比较器比较器电路米用低功耗、单电源工作的双路比较器芯片 LM311构 成。
此处为提高系统效率，减少后级 H 桥中CMOS 管不必要的开合, 用两路偏置不同的三角波分别与音频信号的上半部和下半部进行比 较，当正端上的电位高于负端的电位时，比较器输出为高电平，反之 则输出低电平。
这样产生两路相互对应的PWM 波信号给后级驱动电路 进行处理，双路比较电路如图3所示。
图3比较器电路此处值得注意的是将上半部比较处理为音频信号接比较器的负 向端、三角波信号接正向端；下半部比较则相反，这样形成相互对应， 在音频信号的半部形成相应 PWM 波时，另半部为低电平，可保征后 级H 桥中的CMOS 管没有不必要的开合，以减少系统功率损耗。
D类功放的设计原理
D类功放的设计原理D类功放，全称为“数字功率放大器”，是一种电子功率放大器的类型，它的设计原理基于数字信号的处理和模拟功率放大电路的协同工作。
相比于传统的A类、B类、AB类功放，D类功放具有更高的功率效率，更小的尺寸和重量，更好的线性度，以及更低的功率损耗。
下面将详细介绍D类功放的设计原理。
1.PWM调制原理D类功放的核心设计原理是采用脉宽调制（PWM）技术。
PWM是一种通过调整信号的脉冲宽度来控制平均输出功率的方法。
D类功放通过将原始的模拟音频信号转换为数字信号，并通过比较器产生一个与模拟信号频率相同的矩形波，然后根据输入音频信号的幅值调整矩形波的脉宽，最后通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。
2.数字信号处理D类功放的设计中需要进行数字信号处理。
首先，输入的模拟音频信号需要经过模数转换器（ADC）转换为数字信号，然后通过数字信号处理器（DSP）进行数字信号的滤波、均衡、增益控制等处理，最后再经过数字模数转换器（DAC）转换回模拟信号。
3.比较器比较器是D类功放中的一个关键组件，用于将模拟音频信号与产生的PWM矩形波进行比较。
比较器的作用是根据输入信号的幅值调整PWM信号的脉宽，从而控制输出功率。
比较器通常由操作放大器和参考电压产生器组成。
4.滤波器在PWM调制之后，需要通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。
滤波器的作用是去除PWM信号中的高频分量，保留音频信号的低频成分。
常见的滤波器类型包括低通滤波器和带通滤波器。
5.输出级D类功放的输出级通常采用开关管（如MOSFET）构成。
开关管的特点是具有较低的开通电阻和较高的关断电阻，从而实现更小的功率损耗和更高的功率效率。
输出级通常由多个开关管组成，根据功率需求可以并联或串联排列。
输出级的设计需要考虑电压和电流的控制，包括过电压和过电流的保护。
6.反馈控制为了提高D类功放的线性度和稳定性，通常需要采用反馈控制。
通过对输出信号与输入信号进行比较，调整PWM信号的脉宽和幅值，以使输出信号尽可能接近输入信号。
D类功率音频放大器的设计
D 类放大器的基本结构D 类放大器的电路共分为三级：输入开关级、功率放大级及输出滤波级。
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。
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。
在D 类放大器中，比较器的输出与功率放大电路相连，功放电路采用金属氧化物场效应管(MOSFET)替代双极型晶体管(BJT)，这是因为：(1)功率MOSFET 是一种高输入阻抗、电压控制型器件，BJT 则是一种低阻抗、电流控制型器件。
(2)从二者的驱动电路来看，功率MOSFET 的驱动电路相对简单，BJT 可能需要多达20％的额定集电极电流以保证饱和度，而MOSFET 需要的驱动电流则小得多，而且通常可以直接由CMOS 或者集电极开路TTL 驱动电路驱动。
(3)MOSFET 的开关速度比较迅速，他是一种多数载流子器件，没有电荷存储效应，能够以较高速度工作。
(4)MOSFET 没有二次击穿失效机理，他在温度越高时往往耐力越强，发生热击穿的可能性越低。
他还可以在较宽的温度范围内提供较好的性能。
(5)MOSFET 具有并行工作能力，具有正的电阻温度系数。
温度较高的器件往往把电流导向其他MOSFET ，允许并行电路配置。
而且，MOSFET 的漏极和源极之间形成的寄生二极管可以充当箝位二极管，在电感性负载开关中特别有用。
场效应管有两种工作模式，即开关模式或线性模式。
所谓开关模式，就是器件充当一个简单的开关，在开与关两个状态之间切换。
线性工作模式是指器件工作在某个特性曲线中的线性部分，但也未必如此。
此处的"线性"是指MOSFET 保持连续性的工作状态，此时漏电流是所施加在栅极和源极之间电压的函数。
他的线性工作模式与开关工作模式之间的区别是，在开关电路中，MOSFET 的漏电流是由外部元件确定的，而在线性电路设计中却并非如此。
PWM型D类音频功率放大器的设计
引言D 类放大器是一种具有极高工作效率的开关功率放大器，被放大的信号并非为直接输入信号，而是经采样变换为脉宽变化的开关信号，使功率开关管均处于开关状态。
理想状态下，功率开关管导通没有电压降，关断时没有电流流过，效率可达100%.但实际中，由于受器件限制（如开关速度、漏电流、导通电阻不为零等）和设计上的不完善，其实际效率通常可达到90% 以上，同线性放大器相比，具有较大的优势，目前已经在一些高档产品中得到应用并投放市场。
本文设计的D 类音频功率放大器主要基于以下三个方面考虑：保证高保真度、提高效率和减小体积。
1 D 类音频功放的系统设计本文所设计的D 类音频功率放大器的系统结构如图1 所示。
该放大器结构是基于双边自然采样技术方案实现的，在任一时刻输出所包含的信息量都是单边采样方案的两倍，通过双边自然采样还可以把输出音频信号中大量的失真成分移除到人耳所能感应到的音频带宽范围之外，达到去除D 类音频功率放大器输出端低通滤波器的目的。
图1 D 类音频功率放大器结构系统采用单电源供电，脉冲信号“out1”和“out2”的高低电平分别为VDD 和GND，输入放大级由运算放大器OTA 的闭环结构实现，误差放大器则由运算放大器OTA 与电容Cs 构成。
系统工作时，音频输入信号Vin 首先经过输入放大级后输出两路差分信号，再与反馈信号求和送到误差放大器中产生误差信号VE1、VE2，对三角波载波信号VT 进行调制，输出两路脉冲信号“out1”和“out2”以驱动扬声器发声。
系统包含两个反馈环路，第一个由R1、Rf1 和OTA 组成，用来设置输入放大级和整个D 类音频功率放大器的增益，第二个由R2、Rf2 和后端音频信号处理电路组成，用来减小系统的THD 指数。
在图1 中，对电容Cs 充放电的电流I1、I2 由Vout1、Vout2、Vin、R1、Rf1、R2 和Rf2 共同决定，其中电阻和电容必须具有良好的线性度和匹配性，以获得良好的闭环性能。
D类音频功率放大器的设计方案与测试
D 类音频功率放大器的设计与测试本系统由咼效率功率放大器（D 类音频功率放大器）、信号变换 电路、外接测试仪表组成，系统框图如图 1所示。
b ・ OluFf; *! ] W Yn.r -?.-.-击去vn g n图1系统方框图1. D 类功放的设计D 类放大器的架构有对称与非对称两大类， 在此讨论的D 类功 放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥 的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。
D 类 功率放大器由PWM 电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框 图如图2所示。
采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的 PWM fe 路，用 输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号 幅度储号变挟电路变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。
采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。
全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。
实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。
图2 D类音频功率放大器组成框图D类功率放大器的工作过程是：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，控制开关单元的开/关，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器工作。
2.比较器比较器电路米用低功耗、单电源工作的双路比较器芯片 LM311构 成。
此处为提高系统效率，减少后级 H 桥中CMOS 管不必要的开合, 用两路偏置不同的三角波分别与音频信号的上半部和下半部进行比 较，当正端上的电位高于负端的电位时，比较器输出为高电平，反之 则输出低电平。
这样产生两路相互对应的PWM 波信号给后级驱动电路 进行处理，双路比较电路如图3所示。
图3比较器电路此处值得注意的是将上半部比较处理为音频信号接比较器的负 向端、三角波信号接正向端；下半部比较则相反，这样形成相互对应， 在音频信号的半部形成相应 PWM 波时，另半部为低电平，可保征后 级H 桥中的CMOS 管没有不必要的开合，以减少系统功率损耗。
D类音频功放设计
D类音频功放设计D类音频功放是一种数字化放大技术，其设计基于PWM（脉宽调制）模块。
它以高效能的方式将模拟音频信号转化为数字形式，并通过快速切换音频信号的输出级来近似模拟音频信号。
这种设计异于传统的A类、B 类和AB类功放设计，在功率效率上有着显著的优势。
D类音频功放由输入级、PWM模块、滤波器以及输出级组成。
输入级主要负责将输入的音频信号转化为数字表示形式。
这可以通过使用采样器和模数转换器（ADC）来实现。
ADC将输入音频信号转换为离散的数位形式，通过采样和量化的过程实现。
然后，进一步的数字处理可以应用于信号，以改善音频质量。
PWM模块接收数字信号，并将其转换为脉冲宽度。
脉宽调制技术可以通过改变电平的脉冲宽度来近似模拟输入信号。
PWM模块根据输入信号的幅度，产生相应脉冲宽度调制的输出信号。
滤波器用于平滑输出信号，以去除PWM调制过程中产生的高频噪音。
通常采用低通滤波器用于过滤高频成分。
滤波器必须具有足够的带宽，以确保在不损失音频质量的情况下滤除尽可能多的高频噪音。
最后，输出级通过将PWM信号转换为模拟信号，从而得到放大后的音频信号。
它可以使用滤波器和放大器来实现这一转换。
滤波器用于去除PWM信号中的高频噪音，而放大器用于将信号放大到适当的水平。
在D类音频功放设计中，需要考虑以下几个关键因素：1.输出功率：根据设计需求，选择合适的输出功率。
这涉及到放大器的电源，散热系统等设计。
2.音质：在设计中要考虑到音频质量的损失问题。
在PWM调制过程中，可能会产生失真和噪音。
因此，需要仔细选择PWM调制方法和滤波器设计，以减少音频质量损失。
3.功率效率：D类功放以其高效能而闻名。
设计中需要考虑如何提高功率效率，降低功耗和热量产生。
4.保护电路：由于D类功放通常用于高功率应用，因此需要考虑到保护电路的设计。
这可以包括过热保护、过电压保护和过流保护等。
5.PCB设计：确保电路布局合理，减少干扰和噪音。
同时，需要考虑散热和电源线等布线问题。
D类功率放大器设计与制作
D类功率放大器设计与制作首先，我们需要明确D类功率放大器的工作原理。
它采用了脉冲宽度调制（PWM）技术，通过将输入信号转换为脉冲信号，并将其与高频的载波信号进行比较，以实现放大。
这样的设计使得D类功率放大器能够在输出功率为零或接近零时，电源能耗最低。
在设计D类功率放大器时，首先需要确定功率放大器的输出功率要求。
输出功率决定了需要使用的功率晶体管的尺寸和数量。
一般来说，功率放大器的输出功率越大，所需的功率晶体管尺寸和数量就越大。
接下来，需要确定功率放大器的负载阻抗。
负载阻抗是功率放大器输出末级与负载之间的阻抗匹配。
这样可以最大限度地传递功率，并减少功率放大器和负载之间的反射。
然后，需要确定驱动电路的设计。
驱动电路负责将输入信号转换为适合功率放大器的脉冲信号，并将其与载波信号进行比较。
通常，驱动电路采用运算放大器等器件，用于调整输入信号的幅值和偏置。
在设计完成后，我们可以着手制作D类功率放大器。
首先，需要根据设计要求选择合适的功率晶体管，并将其焊接到PCB板上。
然后，连接驱动电路和功率晶体管，以实现输入信号的转换和放大。
接下来，连接电源和负载，完成D类功率放大器的搭建。
在制作过程中，需要注意以下几个方面。
首先，确保电源和地线的连接正确可靠，以避免电路出现短路或断路的情况。
其次，注意散热问题，特别是功率晶体管的温度应控制在安全范围内。
此外，还要进行各种测试和调整，以确保D类功率放大器的性能和稳定性。
总结起来，D类功率放大器的设计和制作需要考虑功率要求、负载阻抗、驱动电路等因素。
通过选择合适的器件和进行正确的布线和连接，可以制作出高效率和低失真的D类功率放大器。
此外，制作过程中还需要注意电源和散热等问题，以确保功率放大器的稳定性和可靠性。
d类音频放大器介绍及设计
07
结论
D类音频放大器的优势与不足
效率高
D类音频放大器具有很高的能量转换效率，能够有效地减少能源浪费。
动态范围大
D类音频放大器具有较大的动态范围，能够在较大的音量范围内保持音频质量。
D类音频放大器的优势与不足
• 体积小、重量轻：D类音频放大器通常采用集成电路设计， 体积小、重量轻，便于携带和安装。
电磁兼容性设计
电磁兼容性
电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。在D类音频放大器设 计中，需要考虑电磁干扰、电磁辐射、静电等电磁兼容性问题，以确保放大器 的稳定性和可靠性。
电磁兼容性措施
为了提高电磁兼容性，可以采取多种措施，如合理布局布线、增加屏蔽、使用 滤波器等。这些措施可以有效降低电磁干扰和电磁辐射，提高放大器的性能和 可靠性。
03
D类音频放大器的特点
效率高
效率高
D类音频放大器采用开关模式工作，理论上效率可以达到100%，相比传统线性放大器，能够显著减少能量损失 和热量产生。
节能
高效率意味着低能耗，有助于减少能源浪费和设备运行成本。
体积小
体积小
由于D类音频放大器内部结构相对简单，不需要像线性放大器那样使用庞大的滤波器和散热器，因此 体积相对较小。
采样率与分辨率
输入的模拟信号需进行采样，转换为数字信号，采样率和分辨率决定了音频的 质量和还原度。
脉冲宽度调制
脉冲宽度调制
将数字信号转换为模拟信号的一种方式，通过调节脉冲宽度 来控制输出电压，实现音频信号的放大。
调制精度与失真
脉冲宽度调制过程中需保持高精度，以降低失真，提高音频 质量。
基于PWM的D类音频功率放大器设计
０．５
!γ％＋２Ｃ％ １＋ＬＧ３
"
ｄＢ
＝ #６＋２０ｌｏｇ !１＋ＬＧ３ "－２０ｌｏｇ !γ％＋２Ｃ％ "$ｄＢ
从上式可以看出，高的环路增益可以得到更好
的 ＰＳＲＲ，并且 Ｈ３ Ｇｉｎｔ３ 和 ＧＰＷＭ 值必须足够大。这与 单端结构相似，因为环路增益会随着频率增加而降
低，第二类放大器的 ＰＳＲＲ 会随着电源噪声频率的
下支路的坏路增益。如果 ＬＧ３和 ＬＧ４完全彼配，ＰＳＲＲ
为无穷大。如果 Ｃ４ 和 Ｃ５ 的精度为 ｃ％，最差的失配
情况下（Ｃ４＝（１－ｃ％）ＣＤ 且 Ｃ５＝（１＋ｃ％）ＣＤ，其中
ＣＤ 是 设 计 值）Ｃ４ 和 Ｃ５ 的 失 配 为 ２ｃ％ ，Ｄ 类 的
ＰＳＲＲ 可重新推导为
! " ＰＳＲＲ２＝－２０ｌｏｇ
图 ５ 环路反馈信号波形
图 ６ 积分器输出波形
４ 整体电路仿真
电源电压 ５Ｖ，负载为 １５ｕＨ＋４Ω＋１５ｕＨ，输入两 个 ２５０ｍＶ 相位相反信号，采用上华 ＣＳＭＣ ０．５ 工艺 在 Ｃａｄｅｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｅ 环境下作了仿真实验，平均功率
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｉｃｍａ ｇ．ｃｏｍ
图 ７ 负载电流波形 ２００８·１０·（总第 １１３ 期） ６３
图 ８ 单极性脉宽调制信号及输出信号波形
功率放大器的高效率，低失真的发展要求。 本设计采用全桥改进 ＰＷＭ 方案实现的单通道
Ｄ 类放大 器 （可扩展成 双通道） 具 有效率高，
作者简介
杨鹏，重 庆 邮 电 大 学 光 电 学 院 电 路 与 系 统 专 业 研 究 生，研究方向为模拟集成电路设计。
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ｎ＝２
由（２）（６）两式比较可见，闭环 ＴＨＤ 由于因
音频D类放大器的研究与设计毕设
实验环境搭建
实验设备
搭建一个适合D类放大器研究的实验环境，包括音频信号源、D类 放大器、功率测量仪器、音频分析仪等。
实验场地
选择一个安静、无干扰的实验场地，以减少外部因素对实验结果的 影响。
电源供应
确保稳定的电源供应，以避免电源波动对D类放大器性能的影响。
实验方案设计与实施
实验方案
设计合理的实验方案，包括信号源的选择、放大 器性能参数的设定、功率测量方法等。
音频D类放大器的研究与设计
目录
• D类放大器概述 • D类放大器技术研究 • D类放大器设计方法 • D类放大器实验与测试 • D类放大器应用前景与展望
01 D类放大器概述
D类放大器的定义与工作原理
D类放大器（也称为开关模式放大器）是一种放大电路，它 通过开关晶体管以极快的速度在导通和截止状态之间切换， 将音频信号转换为高电压、大电流的脉冲信号。
02 D类放大器技术研究
调制技术研究
脉冲宽度调制（PWM）
通过改变脉冲宽度来调整音频信号的幅度，具有较高的效率和精度。
脉冲频率调制（PFM）
通过改变脉冲的频率来调整音频信号的幅度，具有较低的噪声和失真。
功率转换技术研究
01
开关电源（SMPS）：利用开关电 源技术实现高效、稳定的电源供应， 满足D类放大器的需求。
合理设计接地方式，以减小电磁干扰 和噪声。
布线设计
合理布线，确保信号传输的稳定性和 可靠性。
电磁兼容性设计
屏蔽设计
采用金属屏蔽层对电路板进行屏蔽，减小电磁干扰的影响。
滤波设计
采用滤波电路对电源和信号进行滤波，减小噪声和干扰。
接地设计
采用单点接地或多点接地方式，减小地线回路的噪声和干扰。
应用电子技术毕业设计(论文)-D类音频功率放大器的设计
XXXXXXXXXXXXXX毕业设计（论文）说明书作者：学号：学号：学号：系部：电气工程系专业：应用电子技术题目：D类音频功率放大器的设计指导者：评阅者：2008年 5 月摘要数字功率放大器具有模拟功率放大器不可比拟的优势，代表着音响技术数字化的新台阶。
本系统以高效率D类功率放大器为核心，输出开关管采用高速VMOSFET管，连接成互补对称H桥式结构，最大不失真输出功率大于1W，平均效率可达到70％左右。
D类放大器包括脉宽调制器和输出级。
本文首先介绍了声音的基本特性、音响放大器的技术指标、放大器分类和D 类放大器的工作原理，接着进行了D类功放的仿真分析，包括PWM波的形成、频谱分析等等；然后根据D类功放的设计要素，设计了基于MAXIM公司的10W立体声/15W单声道集成芯片MAX9703/MAX9704的D类放大器，并对D类功放的发展与技术展望进行了描述。
在本文里，对放大器的各个模块包括放大电路、比较器电路、三角波产生电路、驱动电路等进行了设计和仿真，且达到了预先设定的指标。
关键词:D类放大器脉宽调制高速开关电路低通滤波目录1 引言 (5)2 音响的基础知识 (7)2.1 声音的基本特性 (7)2.2 音响的结构及参数 (7)2.3 放大器的技术指标 (7)3 放大器的简介 (9)4 D类功放的原理及仿真 (13)4.1 D类功放的工作原理 (13)4.2 D类功放的EDA仿真 (15)4.2.1 EDA仿真概述 (15)4.2.2 D放大器原理仿真概述 (16)4.2.3 输入信号抽样――PWM波的形成仿真 (17)4.2.4 输出信号PWM波的频谱仿真分析 (17)4.3 D类功放的优点 (18)5 D类功放的硬件设计 (19)5.1 D类功放的设计原理 (19)5.2 D类功放的设计要素 (22)5.2.1 输出晶体管尺寸选择 (22)5.2.2 输出级保护 (22)5.2.3 音质处理 (23)5.2.4 EMI处理 (25)5.2.5 LC滤波器设计 (26)5.2.6系统成本 (27)5.2.7 散热注意事项 (27)5.3 D类功放电路分析与计算 (31)5.3.1脉宽调制器（PWM） (31)5.3.2 前置放大器 (33)5.3.3 驱动电路 (34)5.3.4 高速开关电路 (35)5.3.5 低通滤波 (40)6 MAX9703/MAX9704单声道/立体声D类音频功率放大器 (44)6.1 概述 (44)6.2 MAX9703/MAX9704详细说明 (44)6.2.1 工作效率 (44)6.2.2 应用信息 (45)7 D类功放的发展与技术展望 (47)7.1 D类功放的不足 (47)7.2 D类功放的最新发展——T类功率放大器 (47)结论 (48)致谢 (49)参考文献 (50)1 引言音响技术发展到今天，音响设备中大部分已实现了数字化，如作为音源的CD、DAT、MD、DVD等，数字调音台以及数字效果器、压限器、激励器等周边设备也被一些专业场所使用。
D类音频功率放大器设计基础
D类音频功率放大器设计基础D功放是基于脉冲宽度调制技术的开关放大器，包括脉冲宽度调制器(几百千赫兹开关频率)，功率桥电路，低通滤波器。
本文从构成、拓扑结构对比、MOSFET的选择与功率损耗、失真和噪音产生、音频性能等D类音频功率放大器设计有关的基础问题作分析,并例举D类功率放大器参考设计。
1.D类功放基本构成目前有很多种不同种类的功放,如：A类、B类、AB类等。
但D类功放与其不同的是基本是一个开关功放或者是脉宽调制功放。
为此,主要将对说明这类D类功放作以说明。
在这种D类功放中，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，效率达90-95%都是可能的。
音频信号是用来调制PWM载波信号，其载波信号可以驱动输出器件，用最后的低通滤波器去除高频PWM载波频率。
众所周知, A类、B类和AB类功放均是线形功放,那么D类功放与它们究竟有什么不同?我们首先应作讨论。
图1是D功放原理框图，在一个线性功放中信号总是停留在模拟区，输出晶体管(器件)担当线性调整器来调整输出电压。
这样在输出器件上存在着电压降，其结果降低了效率。
而D类功放采用了很多种不同的形式，一些是数字输入，还有一些是模拟输入，在这里我们将集中讨论一下模拟输入。
上面图1显示的是半桥D类功放的基本功能图，其中给出了每级的波形。
电路运用从半桥输出的反馈来补偿母线电压的变化。
那末D类功放是如何工作的呢?D类功放的工作原理和PWM的电源是相同的，我们假设输入信号是一个标准的音频信号，而这个音频信号是正弦波，典型频率从20Hz到20kHz范围。
这个信号和高频三角或锯齿波形相比可以产生PWM信号，见图2a中所示。
这个PWM信号被用来驱动功率级，产生放大的数字信号，最后一个低通过滤波器被用在这个信号上来滤掉PWM载波频率，重新得到正弦波音频信号，见图2b中所示。
2、从拓扑结构对比-看线性和D类不同值此将讨论线性功放(A类和AB类)和D类数字功放的不同之处。
D类音频功率放大器设计报告
D类音频功率放大器设计报告设计报告：D类音频功率放大器1.引言2.设计目标本次设计的目标是设计一个能够输出15W功率的D类音频功放。
其特点是高效率、低功耗和优质的音质。
3.设计原理D类音频功率放大器的工作原理是将音频信号进行脉冲宽度调制（PWM），并通过一个输出滤波电路转换为模拟音频信号。
具体来说，音频信号首先经过一个比较器，将其与一个高频三角波进行比较，然后产生一个脉冲宽度与音频信号幅度相关的脉冲序列。
这个脉冲序列经过一个电源级输出滤波器，将其转换为模拟音频信号。
4.设计步骤（1）根据设计目标和所选用的功放IC，确定所需的电源电压和电流。
（2）根据音频信号的功率要求，计算所需的输出功率和负载阻抗。
（3）选择合适的比较器和三角波发生器。
（4）设计输出滤波器，使其能够满足所需的频率响应和阻抗匹配。
（5）进行仿真和调试，验证设计的正确性。
（6）根据实际的电路布局和元件参数，进行实际的电路实现。
（7）测试和优化电路性能，确保其能够满足设计要求。
5.设计结果根据上述的设计步骤，设计了一个D类音频功率放大器。
采用了TDA7498E功放IC，输入电压为20V，输出功率为15W，负载阻抗为8Ω。
比较器和三角波发生器选用LM311和LM555、输出滤波器采用LC型，频率响应为20Hz-20kHz。
经过实际制作和测试，该D类音频功率放大器满足了设计要求。
输出功率稳定在15W，失真度低于1%，频率响应平坦度高于±0.5dB。
同时，该功放具有高效率和低功耗的特点，整体性能优良。
6.结论本次设计成功地实现了一个输出功率为15W的D类音频功率放大器。
其设计思路清晰，步骤明确，且实际测试结果良好。
该功放具有高效率、低功耗和优质的音质，适用于各种音频放大场景。
然而，设计中的元件选型、电路布局和参数调整等方面还有待进一步优化和改进。
同时，考虑到市场需求和技术发展，未来的设计可以进一步加入保护电路和调音控制等功能，以提高产品竞争力和用户体验。
基于PWM的D类音频功率放大器的设计
基于PWM的D类音频功率放大器的设计陈俊宇;王洪辉;孟令宇【摘要】系统旨在设计一种D类功率放大器,以高频三角波作为载波,对音频信号进行采样,生成PWM(Pulse Width Modulation)调制信号.采用高速开关管组成的互补对称式H桥电路对信号的功率进行放大,再将放大后的信号送入4阶Butterworth低通滤波器进行滤波,得到理想的音频信号.系统主要针对音频信号进行处理,对输入频率20 Hz～20kHz,振幅30～250 mV的音频信号可以实现很好的功率放大效果,最大不失真输出功率大于1W,最高效率可达到83％.还能对输入信号进行可调放大,实现信号输出功率可调.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2016(040)008【总页数】3页(P33-35)【关键词】三角波;PWM调制;互补对称H桥;低通滤波器【作者】陈俊宇;王洪辉;孟令宇【作者单位】成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059【正文语种】中文【中图分类】TN72A类、B类、AB类音频功率放大器占据了音频领域几十年，但它们都有明显的不足。
A类功率放大器输出信号的动态范围小，最高效率仅为45%左右；B类功率放大器在理想情况下效率能达到78.5%，但会产生交越失真，增加噪声；AB类是A类和B类两种功率放大器的结合，仍不能解决效率低，噪声大的缺点[1-2]。
基于PWM调制原理制成的D类功率放大器，工作在开关状态，理论效率值能达到100%，结合高效的低通滤波器，能够把音频信号噪声降到很低，其音质完全能与AB类线性功率放大器相比拟[3]。
本文采用PWM调制技术设计了一种D类功率放大器，具有效率高，功耗低的特点，特别适合应用于无线和手持移动终端的设计和产品中。
采用PWM技术设计D类放大器
采用PWM技术设计D类放大器脉宽调变(PWM)以其高效率和简单易用的特点而广受欢迎。
过去，人们一般认为它仅适用于功率或数字设备，而在音频等高灵敏度设备中却不太适用。
然而，最近几年来许多知名音频放大器厂商开始生产一系列的PWM音频放大器，起初是次低音放大器，而现在则涵盖到了整个音频频谱20Hz到22kHz。
本文将探讨如何利用PWM数字技术来实现传统模拟音频设备的性能。
放大器的分类功率放大器一般分为四类：A、B、AB和C。
最简单的放大器只有一个主动组件，如晶体管。
该晶体管要加偏置电路，因此不管输入信号有多大，它从来都不可能彻底导通或彻底截止。
这一非截止／非导通区域就是所谓的线性区域，工作在线性区域的放大器输出失真极低，但效率也很低，它就是A类放大器。
B类放大器由两个相互推拉的晶体管构成，一个输出电流，而另一个吸收电流。
假设想放大一个正负半周关于零点对称的正弦波，那么一个晶体管就放大正弦波的上半部份(零点以上部份)，另一个则放大下半部份(零点以下部份)。
换言之，放大是由两个晶体管轮流共同完成的，因此，B类放大器的效率要高一些。
这种放大器的问题在于存在一非线性区域，即正弦波刚藉由零点的那一小片区域。
这时，一个晶体管刚截止，而另一个则刚导通。
由于晶体管导通需要一个短暂的过渡时间，因此就会因非线性状态导致失真。
AB类放大器是A类和B类放大器的组合。
其结构很像B类放大器，但采用了一种可向每个晶体管提供小偏置电流的电路，因此每个晶体管都不会彻底截止。
它像A类放大器一样功耗会大一些，但失真却低得多。
它也像B类放大器一样，两个晶体管配合完成任务，因此整体性能要好一些。
C类放大器一般用于射频或振荡器，因为这时失真不是问题，这里就不深入探讨了。
采用PWM技术的D类放大器D类放大器采用PWM技术，它可控制固定频率方波的占空比，并藉由占空比来表示输入值。
由于PWM可获得较高的效率，因此它经常用于大功率设备。
电动汽车所用的功率放大器就是D类放大器，风力发电机中用于返回电流的也是D类放大器。
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PWM型D类音频功率放大器的设计
中心议题：D 类音频功放的系统设计D 类音频功放单元电路设计实现
解决方案：D 类音频功放单元电路设计
D 类音频功放具有高效、节能、小型化的优点，广泛应用于便携式产品、家庭AV 设备及汽车音响等多个领域。
本文设计的D 类音频功率放大器主要基于以下三个方面考虑：保证高保真度、提高效率和减小体积。
文章设计了一款工作于5V 电源电压并采用PWM 来实现的D 类音频功率放大器，整个系统包含了输入放大级、误差放大器、比较器、内部振荡电路、驱动电路、全桥开关电路及基准电路。
通过引入反馈技术来减小系统的THD 指数，采用双路反宽调制方案不仅抑制了D 类音频功率放大器的静态功耗，而且达到了去除D 类音频功率放大器输出端低通滤波器的目的，减小了系统的体积。
1 D 类音频功放的系统设计本文所设计的D 类音频功率放大器的系统结构。
该放大器结构是基于双边自然采样技术方案实现的，在任一时刻输出所包含的信息量都是单边采样方案的两倍，通过双边自然采样还可以把输出音频信号中大量的失真成分移除到人耳所能感应到的音频带宽范围之外，达到去除D 类音频功率放大器输出端低通滤波器的目的。
图1 D 类音频功率放大器结构
系统采用单电源供电，脉冲信号"out1"和"out2"的高低电平分别为VDD 和GND,输入放大级由运算放大器OTA 的闭环结构实现，误差放大器则由运算放大器OTA 与电容Cs 构成。
系统工作时，音频输入信号Vin 首先经过输入放大级后输出两路差分信号，再与反馈信号求和送到误差放大器中产生误差信号VE1、VE2,对三角波载波信号VT 进行调制，输出两路脉冲信号"out1"和"out2"以驱动扬声器发声。
系统包含两个反馈环路，第一个由R1、Rf1 和OTA 组成，用来设置输入放大级和整个D 类音频功率放大器的增益，第二个由R2、Rf2 和后端音频信号处理电路组成，用来减小系统的THD 指数。
在图1 中，对电容Cs 充放电的电流I1、I2 由Vout1、Vout2、Vin、R1、Rf1、R2 和Rf2 共同决定，其中电阻和电容必须具有良好的线性度和匹配性，以获得良好的闭环性能。
开环D 类音频功率放大器的模型。
图2 开环D 类音频功率放大器模型
此时系统输出为：开环系统的总谐波失真为：式（2）中的Vin 为放大器的输入信号，Vn 为引入的谐波失真，Hf 为传递函数。
具有反馈环路的D 类音频功率放大器的模型。
图3 闭环D 类音频功率放大器模型
此时系统的输出为：其中Hfb 为闭环模型的传递函数，G 为反馈增益。
为了得到相等的放大倍数，设计传递函数为：则式（3）变为：闭坏系统的总谐波失真为：比较式（2）和式（6）可以看出，具有反馈环路闭环系统THD 为开环系统THD 的1/（1+HfbG），即通过反馈结构减小了系统的THD。
2 单元电路设计实现系统单元电路主要包括：输入放大级、误差放大器、比较器、驱动电路、全桥开关电路、内部振荡电路和基准电路。
2.1 输入放大级D 类音频功率放大器的输入放大级是基于运算放大器（OTA）的闭环结构来实现的，其结构，用来根据需要对输入的音频信号作电平调整和信号放大处理，使输入信号在幅度方面能满足后级电路的要求，输入放大级的增益可以通过设置Rf1和R1 的阻值来决定。
图4 输入放大级电路结构
2.2 比较器本文所采用的比较器电路，比较器电路由三级构成，即输入预放大级、判断级（或正反馈级）和输出数字整形缓冲级。
预放大级采用有源负载的差分放大器来实现，其放大倍数不用很大，用来进行输入信号的放大，以提高比较器的敏感度，并把比较器的输入信号与来自正反馈级的开关噪声隔离开；判断级用来将预放大级的信号进一步放大，为比较器的核
心部分，电路中通过把m8 与m9 的栅极交叉互连实现正反馈，以具备能够分辨非常小的信号的能力，并提高此级电路的增益；输出缓冲级是一个自偏置的差分放大器，它的输入是一对差分信号，用来把判断级的输出信号转化成逻辑电平（0V 或5V），即输出高电平VOH=VDD,输出低电平VOL=GND。
图5 比较器电路图
2.3 内部振荡电路本文采用的三角波产生电路结构，其中m5、m6 和m7、m8 构成了两组恒流源，m9~m13 和Q1 构成了输出级。
在电路中，采用将输出信号VT 分别反馈到比较器comp1 和comp2,与参考电平VREF1 和VREF2（VREF2图6 三角波产生电路
由图6 可知，VT 初始电压值为零，电路上电时，由于02.4 全桥开关电路输出级采用N、P 型功率开关对管组成的全桥开关电路实现，其结构及负载电流流向。
图7 全桥电路结构及负载电流示意图全桥开关电路工作在开关模式，随着输入信号的改变，m1~m4 的状态随之转换，始终只有对角一对功率开关管导通，另一对截止。
2.5 驱动电路驱动电路结构，该电路能有效调节死区时间（N 型、P 型功率开关管同时关断），防止单臂"shoot- through"现象，并有保护关断功能。
输入信号为比较器输出的PWM 脉冲信号，PWM1用来驱动N 型功率开关管，PWM2 用来驱动P 型功率开关管。
为了避免全桥开关电路中的单臂"shoot- through"现象，当PWM 信号从低电平变为高电平时，PWM2 应首先变为高电平，关断PMOS 功率开关管，随后PWM1 再变为高电平，开启NMOS 功率开关管，；反之，当PWM 信号从高变为低时，PWM1 先变为低电平，关断NMOS 开关功率管，随后PWM2 再变为低电平，开启PMOS 开关功率管。
实际电路中，可以根据需要通过控制延迟单元的控制位Tc 来调整死区时间的长短。
为减小失真，必须减小死区时间，该驱动电路采用了逐级增加驱动能力的方式来驱动功率管，从而减小了必要的死区时间，保证了低失真度。
图8 驱动电路结构
图9 死区时间EN 是控制模块的使能信号，正常工作为高电平；当出现过流、过温等情况时，则变为低电平，关断全桥功率开关电路。
2.6 基准电路本文所设计的带隙电压基准源结构，主要由核心电路与启动电路两部分组成。
图10 基准电路核心电路中M1~M12 一起构成共源共栅电流镜来提供直流偏置，运放op1 采用两级共源共栅放大。
另外，在图10 电路中引入了负反馈，保证了该偏置电路电流镜的准确性，同时与电源无关，具有很高的电源抑制比。
电路上电时偏置电路可能会出现零电流的情况，需要启动电路保证电路能够正常工作。
电路不工作时，EN、Vs1 为0,Vs2、Vs3 为1,M15、M17 不通，运放输出为高，M3~M6 也不通，整个电路不消耗电流。
当EN 由0 变成1 时，由于C1 的作用，Vs1 保持为0,Vs2 为1,Vs3 变为0,此时M15、M17 导通，inp、inn 分别被拉到0、1,运放输出变为0,M3~M6 导通，M13、M14 支路开始有电流，并对C1 充电，直到Vs1 高过I2 阈值电压时，Vs2 变为0,Vs3 则变为1,M15、M17 关断。
最终电路偏离零电流状态，开始正常工作，且Vs1 充至电源电压，整个启动电路不再消耗电流。
3 结论本文研究了基于PWM 调制技术D 类音频功率放大器的工作原理，通过引入反馈技术减小了D 类音频功率放大器的THD;通过逐级增加驱动能力的方式减小了必要的死区时间，保证了更低的失真度；采用双路反宽调制方案，一方面抑制了系统的静态功耗，另一方面去除了输出级的LC低通滤波器，达到了减小系统成本和体积的目的。