高效率PWM音频功率放大器
高效率音频功率放大器设计文献综述【文献综述】
文献综述电子信息工程高效率音频功率放大器设计文献综述一、前言为了节约电路的成本，提高放大器的效率，采用普通的电子元器件设计高效率音频功率放大器的方法，使用基本的运算放大器，构成PWM路，形成D类功率放大器，实现了高效率，低失真的设计要求。
为了提高电路的抗干扰性能，在设计中使用了电压跟随器，差动放大器，有源带通滤波器等。
使设计获得了良好的效果。
二、主题在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。
所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。
音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。
（一）早期的晶体管功放半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。
自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。
早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高，例如，共发射极截止频率fh的典型值为4kHz，大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。
这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其3dB截止频率通常在10kHz左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。
再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约，制作较大功率的OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管子，所以不得不采用变压器耦合输出。
变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。
“还是胆机规声”，这种看法的确事出有因。
（二）晶体管功放的发展和互调失真随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。
最初的大功率PNP管是锗管，而NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们更多采用的是图二所示的准互补电路，通过小功率硅管Q1与一只大功率的NPN硅管Q2复合，得到一只极性与PNP管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。
5W 单声道高保真 D 类音频功率放大器 PA8157 产品手册说明书
PA8157是一款高保真、高效率、低EMI、免滤波、5W单声道D类音频功率放大器。
PA8157内部集成智能增益控制（AGC）功能，通过检测输出信号的大小智能调整系统的增益，避免了过载对于扬声器的损害，防止了音量过大时破音，提高了听觉体验。
PA8157采用了全差分免滤波PWM调制的系统架构，具有较好的抗干扰能力。
其内部集成的过温保护、欠压保护、过流保护、“咔哒”杂音抑制等功能模块，给PA8157提供了更强壮的鲁棒性，使其拥有了更好的适应能力。
PA8157采用了典型的SOP_8封装。
图1.典型应用图应用蓝牙音箱便携式音响设备玩具特点免滤波D类集成（自动增益控制）AGC功能输出功率5W@2Ω（THD+N=10%，5.3V）工作电压域：2.5V～5.5V低失真THD+N=0.04%@1W，5VPOP声抑制效率最高达88%高PSRR=75dB@217Hz过流、过温、欠压保护全差分/单端输入低噪声70μVrms（GAIN=10V/V）失调电压<20mV静态电流6mA@5V关断电流<0.1μASOP_8封装图2.PA8157封装图管脚定义极限参数注1注1：超出以上所列极限参数，可能造成器件的永久损坏。
以上给出的仅是极限范围，在这样的极限条件下工作，器件的技术指标不予保证。
长期在极限条件下工作，会影响器件可靠性。
R IN=10KΩ，C IN=100nF，T A=25℃，VDD=3.8V，除非有特殊说明图3.谐波失真+噪声 Vs. 输出功率图4.谐波失真+噪声 Vs. 频率图5. 输出功率 Vs. 输入幅度图6. 增益 Vs. 频率图7. 效率 Vs. 输出功率图8. AGC触发时间图9. AGC释放时间图10. PA8157测试原理图PA8157为脉冲输出方式，如图9所示，需要在两个输出各接一个低通滤波器将开关调制频率滤除，然后测量滤波器的差分输出即可得到模拟输出信号，VOP和VON被低通过滤后的差分输出波形和相减后的波形如下图所示。
分析比较D类功放的特点与电路组成
分析比较D类功放的特点与电路组成作者：巩海滨来源：《职业·下旬》2012年第01期摘要：高效率音频功率放大器是近年来刚发展起来的一种音频放大器，通常叫做D类功率放大器。
它的工作电压在12.5～30V，工作效率在理想状态下为100%，它具有功率大、效率高、失真小的特点。
关键词：功率放大器效率 PWM调制器交越失真低通滤波器脉冲在高保真音响设备中，功率放大器用来对各种音源输出的音频信号进行加工处理和不失真的放大，使之达到一定的功率去推动扬声器发声。
其中，如何对音频信号进行功率放大，使之达到功率大、效率高、失真小，是功率放大器所要解决的最主要问题。
一、D类功放的发展背景随着数字电路和计算机技术的不断发展，家庭影音系统工程日趋成熟与完美，越来越多的电子爱好者期望能自己制作出体现自己意愿特殊的家庭影院系统。
最高效的功放，它正慢慢改变我们的生活，使我们的生活变得更美好。
D类功率放大器就是PWM型功率放大器。
二、D类功放的特点与电路组成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)、AB类（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.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1所示。
其中第一部分为PWM调制器。
最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。
把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端，另外通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。
当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。
若音频输入信号为零时，因其直流偏置为三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1:1的方波。
当有音频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1:1:音频信号的负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于1:1。
d类功放转电流
d类功放转电流D类功放转电流的原理及应用引言：D类功放（Class D amplifier）是一种高效率的功率放大器，其工作原理是通过将音频信号转换为脉冲宽度调制（PWM）信号，然后经过滤波器得到模拟音频信号输出。
本文将介绍D类功放的工作原理，并探讨其在音响领域的应用。
一、D类功放的工作原理D类功放的核心是脉冲宽度调制技术。
当输入音频信号为正弦波时，D类功放将其转化为一系列的脉冲信号，脉冲的宽度随着音频信号的幅度变化而调整。
这些脉冲信号经过一个高频开关管（MOSFET）进行放大，然后由低通滤波器进行滤波，最终得到模拟音频信号输出。
D类功放的工作过程可以分为两个阶段：脉冲宽度调制和功率放大。
脉冲宽度调制阶段通过比较器和误差放大器将音频信号转化为PWM 信号，PWM信号的频率通常在几十千赫茨到几百千赫茨之间。
功率放大阶段则通过高频开关管对PWM信号进行放大，将其转化为模拟音频信号输出。
二、D类功放的优势相比传统的A类和AB类功放，D类功放具有以下优势：1. 高效率：由于D类功放采用了脉冲宽度调制技术，其功率转换效率通常可达到90%以上，远高于传统功放的效率。
2. 小尺寸：D类功放由于功率转换效率高，不需要大型散热器，因此体积更小，更适合集成在各种便携设备中。
3. 低热量：传统功放在工作时会产生大量的热量，而D类功放由于高效率的原因，热量较少，不易造成设备过热。
4. 低失真：D类功放的PWM信号经过滤波器后，可以得到较为纯净的模拟音频信号，音质更好，失真更低。
三、D类功放在音响领域的应用D类功放由于其高效率和小尺寸的特点，在音响领域得到了广泛的应用。
以下是几个常见的应用场景：1. 车载音响：由于车载空间有限，需要小尺寸的功放设备，D类功放能够满足这一需求，并且其高效率可以减少对汽车电池的负担。
2. 便携式音箱：便携式音箱通常需要长时间的续航能力，D类功放的高效率可以延长电池的使用时间，同时小尺寸也方便携带。
d类功放原理
d类功放原理D类功放原理。
D类功放（Class-D Amplifier）是一种高效率的功率放大器，它利用数字调制技术将音频信号转换成脉冲宽度调制（PWM）信号，然后通过功率开关器件进行放大。
与传统的A类、B类功放相比，D类功放具有更高的效率和更小的体积，因此在音响设备、汽车音响和无线通信等领域得到了广泛的应用。
D类功放的工作原理可以简单地分为两个部分，信号调制和功率放大。
首先，音频信号经过模数转换器（ADC）转换成数字信号，然后经过数字信号处理器（DSP）进行数字调制，将其转换成PWM信号。
PWM信号的脉冲宽度与音频信号的幅度成正比，频率与音频信号的频率相同。
这样就实现了对音频信号的数字化处理。
接下来，PWM信号通过功率开关器件（如MOSFET、IGBT）控制输出级的功率开关，将电源电压施加在负载上，从而实现对音频信号的功率放大。
在输出级，PWM信号经过滤波器进行滤波处理，去除高频成分，得到原始的音频信号。
最后，经过放大器输出到扬声器或其他负载上。
D类功放相比传统的A类、B类功放具有很多优点。
首先，D类功放的效率非常高，通常可以达到90%以上，而A类、B类功放的效率只有50%左右。
这意味着D类功放在同样输出功率下，可以减少很多功率损耗，从而减小散热器的尺寸和成本。
其次，D类功放的失真度较低，因为功率开关器件的开关速度非常快，可以更准确地跟随音频信号的变化，减少失真。
此外，D类功放的体积小、重量轻，适合于便携式音响设备和汽车音响系统的应用。
然而，D类功放也存在一些缺点。
首先，由于功率开关器件的开关频率较高，会产生一定的高频谐波，需要进行滤波处理，增加了设计的复杂度。
其次，功率开关器件的开关损耗会产生一定的电磁干扰，需要进行屏蔽和抑制。
另外，D类功放对电源的要求较高，需要较为稳定的直流电源，以保证输出的音频质量。
总的来说，D类功放作为一种高效率、高保真度的功率放大器，已经成为现代音响设备和汽车音响系统的主流选择。
irs2092s原理
irs2092s原理
IRS2092S 是一种高性能数字功率放大器的集成电路，其原理基于谐振控制技术。
该芯片可处理音频信号，将其转换成高质量的输出功率，可以驱动千瓦级的负载。
IRS2092S 的工作原理是将音频信号转换成数字信号，通过高速的PWM技术将数字信号转换成PWM信号，然后通过谐振电路将PWM信号对负载进行调制，得到高品质，高效率的输出功率。
与传统的功率放大器相比，IRS2092S 具有以下优点：
1.高效率：采用PWM 技术，可实现高效率的功率转换；
2.高保真性：数字信号处理可以保证输出信号的高保真性；
3.灵活性：可按照不同的应用需求进行配置和调整；
4.可靠性：采用先进的保护电路，可以保证芯片和设备的可靠性和稳定性。
IRS2092S 通常应用于家庭影院、公共场所、演出场所等需要高品质声音的场合。
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。
高效率音频功率放大器的设计
高效率音频功率放大器的设计作者：谭本军来源：《消费电子·理论版》2013年第07期摘要：本文是基于高效率的音频功率放大器出发，从功放类型的选择，D类功放的构成、PWM调制原理及具体电路的设计等多方面进行了具体的设计分析，并具体制作，设计调试效果理想，是一款很理想的音频功率放大器。
关键词：高效率；音频；功率放大器；PWM调制中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 14-0000-01一、引言音频功率放大器是指用于向扬声器提供功率的放大电路，是多级放大电路的最后一级。
要求具有较高的输出功率和较大的输出动态范围，衡量其性能好坏的主要指标有频率特性、时间特性、信号噪声比、最大输出动态范围、最大功率和效率，其中最大输出功率和效率主要由功率放大器实现。
传统的功率放大器主要有A（甲）类、B（乙）类、AB（甲乙）类和C（丙）类，一般的小信号放大都是甲类功放，其能量转换效率很低，理论效率最高才25%；乙类功放理想效率高达78.5%，但实际电路都要略加一点偏置，构成甲乙类，实际效率仅为50%左右；C类功放一般用在高频发射电路中，虽然效率可以更高，但电路复杂、音质更差，音频放大中一般都不采用。
在汽车功放、笔记本电脑、手机等小型便携式音响设备的音频系统和专业超大功率功放场合，以上类型的功放因效率偏低不能令人满意。
D（丁）类音频功率放大器是受高频脉宽调制（PWM）脉冲信号的控制，使其工作在开关状态，其理论效率为100%，实际可达80%～95%；其不足之处是易产生高频干扰及噪声，本文通过精心设计低通滤波器及合理选择元件参数，其音质效果完全能与A类线性功率放大器相比拟。
二、D类功放的构成本文设计的D类功放由放大与增益控制电路、三角波发生器、比较器、开关放大电路和低通滤波器构成。
输入的音频信号先经增益可变的放大器放大，并变换成大小相同、相位相反的差分信号。
这两路信号分别与三角波发生器产生的三角波进行比较，比较器输出频率与三角波相同，但占空比与音频幅度对应的脉冲信号、音频信号的幅度与脉冲波的占空比成比例。
MF8808-PDF规格书
(VDD =5V, Gain=20dB, RL =8Ω, T =25°C, unless otherwise noted.)
Symbol Parameter
Test Conditions
THD+N=10%,f=1KHZ,RL=4Ω
VDD=5.0V VDD=3.6V
VDD=5.0V
THD+N=1%,f=1KHZ,RL=4Ω
VDD
2.5
5.5
V
2
VDD=5.0V
2
V
4
0.6
VDD=5.0V
0.6
V
0.6
热阻参数
Parameter
热阻(Junction to Ambient)
Symbol
θJA
Package
SOP16
MAX
115
UNIT
°C/W
Rev 1.0 May.2015
3 / 10
MF8808 3W 立体声 F 类音频功率放大器
Vos
失调电压
VIN=0V, VDD=5V
Fosc
工作频率
Tst
启动时间
Bypass capacitor =1uF
OTP OTH
温度保护 －
No Load, Junction Temperature
VDD=5.0V
MIN
2.5
TYP
3 1.55 2.5 1.3 1.72 0.9 1.45 0.75 0.05 0.07 0.03
MAX UNIT
W W W W % % dB dB
85
dB
80
μV 100
90
dB
200 mW
90
高效音频功率放大器的设计_毕业设计
摘要
本次设计的音频功率放大器采用D类功率放大器形式，用音频信号的幅度去线性调制高频脉宽的宽度，然后通过LC低通滤波器后输出音频信号。再通过差动式的减法电路构成信号变化电路，将双端输出变为单端输出，最后通过真有效值转换芯片和单片机完成功率的测量。该电路性能良好、效率高、成本较低。
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，引起了各领域的特别关注。在不久的将来，D类功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。
第2章 设计要求和
二、方案二——B类功率放大器
B类放大器也称为乙类放大器，其功率器件导通时间只有半个周期。在没有信号输入时，功率损失为零。与A类不同，B类放大器的电源供给功率和管耗都会随着输出功率的大小而改变，也改善了A类放大器放大效率低的状况，在理想情况下，理想的效率值为78.5%，因为产生的热量比A类低，可以使用较小的散热器。
关键词：音频功放；D类功率放大器；真有效值转换；单片机
ABSTRACT
This design using the audio power amplifier power amplifier form, of D with audio signal amplitude modulation high-frequency pulse width to linear width, and then through the LC lowpass filter output audio signal after. Again the subtraction circuit by differential circuit, a signal changes will double the output into the ocl output, finally the true RMS conversion chips and single-chip commputer completes power measurement. This circuit has good performance, high efficiency and low cost.
pwm功率放大器工作原理
pwm功率放大器工作原理
PWM（脉宽调制）功率放大器是一种将输入信号转换为输出信号的电子设备。
它通过控制输出信号的脉冲宽度来实现对信号的放大。
其工作原理如下：
1. 输入信号：PWM功率放大器接收来自信号源的输入信号。
这个信号可以是任意形式的模拟或数字信号。
2. 脉宽调制：输入信号通过PWM调制器，将其转换为一系列长度可调的脉冲信号。
脉冲的宽度由控制信号决定，通常是一个以固定频率运行的时钟信号。
3. 比较器：脉冲信号经过比较器，与一个参考信号进行比较。
比较器根据输入信号的幅值和参考信号的幅值之间的差异来确定输出信号的幅值。
4. 输出信号：根据输入信号的幅值和比较器的结果，PWM功率放大器会输出一系列带有不同幅值和宽度的信号脉冲。
这些信号脉冲通常被放大后驱动负载，如音频扬声器或电机。
在PWM功率放大器中，输出信号的幅值和宽度决定了输出功率的大小。
因此，通过调整脉冲的宽度和控制信号的大小，可以实现对输出信号的精确控制和放大。
综上所述，PWM功率放大器通过脉冲宽度调制的方式，将输
入信号转换为输出信号。
通过调整脉冲的宽度和控制信号的大小，可以实现对输出信号的放大和精确控制。
d类功放失真
d类功放失真D类功放（Class D Amplifier）是一种高效率功率放大器，广泛应用于音频放大领域。
它的工作原理基于PWM（脉宽调制）技术，与传统的A类、B类和AB类功放有所不同。
尽管D类功放具有高效率和小体积等优势，但它也存在一些失真问题。
本文将分析D类功放的失真问题，并探讨其原因与解决方法。
D类功放失真主要包括两个方面：高频失真和非线性失真。
首先，高频失真是由于D类功放的PWM调制过程存在波形畸变而导致的。
PWM 调制生成的方波信号会引起高频噪声和谐波失真。
这种失真会严重影响音频信号的音质。
其次，非线性失真主要源于功放输出级的开关特性和MOSFET开关管的非线性。
当音频信号经过功放输出级时，输出级的开关过程会引起信号波形的畸变，产生各种非线性失真成分。
D类功放失真的原因主要有以下几点：1. PWM调制导致的波形畸变：D类功放是通过PWM技术对音频信号进行调制，将其转换成高频方波信号。
但由于PWM调制过程中的采样与保持问题，以及电感元件的电流波动等因素，会导致方波信号的波形不完美，从而引发高频失真。
2.输出级开关特性：D类功放的输出级是由MOSFET开关管构成的，其开关特性决定了输出级对音频信号的响应。
然而，MOSFET开关管的非线性特性会引起失真。
特别是在开关转换的瞬间，MOSFET开关管会产生截断失真、交串失真和非对称失真等问题。
3.电压采样和反馈延迟：D类功放通过电压采样和反馈机制来控制PWM调制，以使输出信号与输入信号保持一致。
然而，电压采样和反馈的过程会引入一定的延迟，导致系统的相位失真和时域失真。
为了解决D类功放失真问题，我们可以采取一些改进措施：1.进一步改善PWM调制技术：提高PWM调制器的采样速度和精度，优化电感元件的选取和设计，减小调制过程中的波形畸变，从而降低高频失真。
2.优化输出级设计：改善MOSFET开关管的选用和特性，降低开关过程中的非线性失真。
可以采用更好的驱动电路和反馈技术，减小输出级对音频信号的影响，提高音频信号的线性度和准确性。
脉宽调制型(pwm)功率放大器课件
在调试和优化过程中，应不断尝试不同的方法和参数， 以找到最佳的配置。
常见问题与解决方案
波形失真
输出波形可能出现谐波失真或非线性失真。
稳定性问题
放大器可能出现不稳定或振荡现象。
常见问题与解决方案
• 效率不高：在某些情况下，放大 器的效率可能较低，导致热量积 累。
常见问题与解决方案
01
解决方案
数字控制技术
将数字信号处理和控制算法应用于PWM功率放大器，提高其性能 和稳定性。
应用领域拓展与市场前景
5G通信
随着5G通信技术的普及，PWM功率放大器在基站和终端设备中的 应用将进一步增加。
电动汽车与充电设施
电动汽车市场的快速发展将带动PWM功率放大器在车载充电机和 充电设施中的应用。
工业自动化
智能化与自动化
未来PWM功率放大器将更加智能化和自动化，具备自适 应调节、远程控制和故障诊断等功能。
安全与可靠性
随着应用领域的拓展，PWM功率放大器的安全性和可靠 性问题将更加突出，需要加强相关研究和测试。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
效率与失真度分析
总结词
效率与失真度是评价PWM功率放大器性能的重要参 数，它们分别反映了功率放大器的能量利用效率和信 号质量。
详细描述
效率是指功率放大器输出功率与输入功率的比值，反 映了能量利用的效率。高效率的PWM功率放大器能 够减少能源浪费和散热问题，提高整体性能。失真度 是指输出信号与输入信号在波形上的差异程度，包括 谐波失真和交叉调制失真等。失真度越低，信号质量 越好，能够更好地还原原始信号的特征。在PWM功 率放大器的设计中，需要综合考虑效率与失真度的要 求，通过优化调制波的参数和选择合适的电路拓扑结 构来实现最佳的性能表现。
基于PWM的D类音频功率放大器设计
Ｋｅ ｗｏｄ：ｏ ｌ ｕ ｒｕ ｉ ｏ ｉ ， ｏ ｅ— ｕ ｐｙ Ｒ ｊｃ ｏ — ａ ｏ Ｐ ｌ — ｄｈＭｏ ｕａ ｏ ｙ ｒ Ｔ ｔ ｍｏ ｓ ｓ ｒ ｏ Ｐ ｗ ｒ Ｓ ｐ １ ｅ ｔ ｎ Ｒ ｔ ， ｕｓ Ｗｉｔ ｄ ｌ ｉｎ ａｈ ｏ ｄｔ ｎ ｔ — ｅｉ ｉ ｅ ｔ
１ 引 言
关键词： 总谐波失真 ， 电源抑制比， 脉冲宽度调制
Ａｂｓｒ ｃ Ｔｈ ｓ ａ ｔ ｌ ｒ ｐｏ ｅ ｎ Ａｕ ｏ ｒ ｑ ｅ ｃ － ｗｅ －Ａｍｐｌ ｅ ｉ ｈ ｉ ｓ ｄ ｏ ｌｅ Ｗ ｉ ｔ ｄ ａｉｎ ｔ ａ ｔ： ｉ ｒｉ ｅ ｐ ｏ ｓ ｓ ａ ｄｉ－Ｆ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｐｏ ｒ ｃ ｉ ｒ ｗｈ ｃ ｓｂａ ｅ ｎ Ｐｕ ｓ — ｄ ｈ Ｍｏ ｕｌｔｏ ｉ ｆ
２４Ｖ～ Ｖ． ａ ｄ ｉ ’Ｓｌｏ ａ ｎ ｃ ｎ ｖ ｒ ｎ ａｒ ｎ ｆ６ｄ ． ５ ｎ ｔ ｏ ｐ ｇ ｉ ａ ａ ｙ ｉ ａ ｇ ｏ Ｂ， １ ｄＢ， １ ｄ ２ ８ Ｂ， ２ ｄＢ． Ｔｈ ｍｐ ｉ ｅ ｓｉ ｌｍｅ ｅ ｎ ４ ｅ ａ ｌｆ ｒｗａ ｍｐ ｅ ｎｔｄ ｉ ｉ ＣＳ ＭＣ０５ ＣＭＯＳ ｐ ｏ ｅ ｓ ｒ ａ ｉｉ ｇｈ ｇ ｆ ｃｅ ｃ ， ｏ ｐ ｗｅ ｏ ｕｍｐ ｉ ｎ ａ ｉ ｈ ｆｄ ｌｔ ． ｒ ｃ ｓ ， ｅ ｌｚｎ ｉ ｈ ｅ ｉ ｎ ｙ ｌ ｗ ｏ ｒｃ ｎｓ ｉ ｔｏ ｎｄｈ ｇ ｅｉｙ ｉ
即 ＝ ／１ Ｇ ） （＋
则
＝
＋
（ ５）
差分桥式输 出作为反馈信号 ，经反馈网络与输 入信号求和积分送到 Ｄ类功放输入端 。 。在应用反 馈时，一个主要 的难点是反馈路径中残留的载波信
能 较好 的 Ｄ类 功 率放 大器 。
２ 反馈在 Ｄ类功率放 大器 中的重要 性
PWM音频播放器
脉宽调制(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有源器件，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分(零点以上部分)，另一个则放大下半部分(零点以下部分)。
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，即正弦波刚通过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，并通过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。
CP2230——高效率,高输出功率,高品质的音频放大器
CP2230——高效率，高输出功率，高品质的音频放大器CP2230 为启攀微电子(Chiphomer Technology Ltd)日前发布了一颗大功率，超低EMI，超高效率的单声道D 类音频放大器。
与传统的D 类功放不同，该芯片内部集成电荷泵，可在较低电源电压输入的情况下输出2W 的功率，该电荷泵采用变频技术，即根据负载情况自动切换工作频率，大大降低了电荷泵的静态工作电流；该芯片采用全新的自主专利架构，其内部集成了电荷泵智能电源管理模块，可根据输入信号的幅值，自动地切换输出级的电压，输入信号低幅值时，效率高达90%，输入信号高幅值时，效率可达到60%；CP2230 采用最新主动式电磁辐射抑制技术，显著改善EMI 问题。
专有的IMP 技术，大大提高CP2230 的工作效率CP2230 专有的IPM ( Intelligent output power management )技术，在单节锂离子电池供电下，可提供业内最大的恒定输出功率及最高的效率。
下面我们介绍一下IPM 的工作原理，下图给出了3.6V 工作条件下，CP2230 的工作情况：途中蓝色曲线为CP2230 的音频输出波形，红色线条表示CP2230 的输出级工作电压。
从图中可以看出，在低幅值部分即输出信号小于3.6V，其效率等同于D 类功放，可达90%的效率；在高幅值部分切换为Charge-pump 供电，效率降低为60%。
可见，CP2230 可以根据输入信号的幅值不同，智能的切换音频输出级电压，以达到效率的最优化。
该专利技术相比目前市面上的G 类、简单集成电荷泵的D 类音频功放，其平均效率提高了20%以上。
下图给出了采用IPM 技术的CP2230 与G 类、简单集成电荷泵的D 类功放的效率对比曲线：主动式电磁辐射抑制技术一直以来如何在系统级抑制D 类产生的电磁辐射(EMI)，都是困扰系统工程师的问题。
由于D 类放大器的调制频率一般在250kHz 到1.5MHz 之间，因此调制的开关信号和电源线上变化的电流信号带来。
IRIRS20921700W单路D类音频功率放大方案
IR IRS2092 1700W单路D类音频功率放大案2012-10-30 22:37:47| 分类：默认分类|字号订阅IR公司的 IRS2092是集成了PWM调制器和保护的高压高性能D类音频放大器，工作频率高达800kHz，±100 V额定电压是可提供500W输出功率，主要用在家庭影院，密你立体声系统，通用音频放大器等。
本文介绍IRS2092主要特性，框图，典型连接图，典型应用电路图以及1700W单路D类音频功率放大器框图，主要特性，电路图和材料清单。
The IRS2092 is a high voltage, high performance Class D audio amplifier driver with PWM modulator and protection.In conjunction with two external MOSFET and a few external components, a complete Class D audio amplifier with protection can be realized.International Rectifier’s proprietary noise isolation technology allows high current gate drive stage and high speed low noise error amplifier reside on a single small silicon die.Open elements of PWM modulator section allow flexible PWM topology implementation.IRS2092主要特性：? Integrated analog input Class D audio amplifier driver in a small 16 pin package? Floating inputs enable easy half bridge implementation? Programmable bidirectional over-current protection with self-reset function? Programmable preset deadtime for improved THD performances? Start and stop click noise reduction? High noise immunity? ±100 V ratings deliver up to 500 W in output power? Operates up to 800 kHz? RoHS compliantIRS2092典型应用：? Home theater systems? Mini component stereo systems? Powered speaker systems? General purpose audio power amplifiers图1。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高效率PWM音频功率放大器
本设计主要由功率放大器、信号变换电路、输出功率显示电路和保护电路组成。
功率放大器部分采用D类功率放大器确保高效，在5V供电情况下输出功率大于1W，且输出波形无明显失真，低频输出噪声电压很低(输出频率为20kHz以下时，低频噪声电压约1mV)；信号变换部分采用差分放大电路，将双端输出信号变为1∶1的单端输出信号；输出功率显
1、题目分析及设计方案论证与比较
根据题目要求，整个系统由D类PWM功率放大器、信号转换电路及功率测量显示装置组成。
其中核心部分为D类PWM功率放大器。
之所以选择此方案是因为D类PWM功放能够达到更高的效率，且更好地确保波形不失真，加之以合理的滤波网络又进一步克服了高频干扰，从而使系统成为高效率、低失真、低干扰的功率放大系统。
系统组成框图如图3.1所示。
下面我们分别论述框图中各部分设计方案。
图3.1 系统组成框图
2、总体设计思路
根据题目要求，经过认真分析，决定采用脉宽调制方式实现低频功率放大器(即D类功率放大器)。
脉宽调制电路(PWM)的脉宽调制原理如图3.2所示。
图3.2 脉宽调制原理图
一般的D类放大器电路的工作原理是用“振荡发生器”输出的三角波与来自外部的模拟音频信号进行比较，在“脉宽调制比较器”输出端产生一个其脉宽变化与音频信号幅值成正比例的可变脉宽方波。
此方波通过“数字逻辑电路”输出反相的方波。
在音频信号的前半周(正电压)，脉宽调制方波的占空比小于50%，使高端MOS管饱和导通，输出瞬间脉冲电压V ec－0=V cc。
在音频信号的后半周(负电压)，低端MOS饱和导通，电压0－V ec=－V cc。
将输
出的脉宽调制电压经LC低通网络滤除高频成分，在负载端得到与输入模拟信号相似但被放大了的电压。
D放大器虽有较大难度但可大大提高效率，且失真很小，波形放大效果良好，而且配合以较好的滤波网络克服了高频干扰。
系统原理框图如图3.3所示。
可采用AD521实现双端输入变单端输出的信号变换。
在测试部分采用乘法器将变换电路输出的信号电压加以平方，经分压送至表头显示。
图3.3 系统原理框图
第1节PWM功率放大器
实验一三角波发生器及误差放大器用555芯片构成三角波发生电路，如图3.4所示。
图3.4 三角波发生电路
本设计利用555组成的多谐振荡器的C4充放电特性加以改进，实现C4的线性充放电获得三角波。
利用VT1、VT2和R6构成的恒流源对C4实现线性充电，利用VT3、VT4和R7构
成的恒流源实现对C4的放电，电容C4的三角波经VT5射极跟随器输出该振荡器的震荡频率f=0.33/(116＋R7)C4。
按图中各元件的参数，我们得到了一个线性很好、频率约为100kHz、峰峰值为2.18V的三角波，将其输入到脉宽调制比较器的一个输入端。
该部分的作用是将输入信号按比例放大以便与三角波比较，通过以OP-37运算放大器为核心加上相关元件形成反向比例放大电路，电路如图3.5所示。
图3.5误差放大器电路
R2、R4共同分压将OP-37③脚的电压抬至2.5V，这样可使放大后的波形中点在2.5V处，且是下对称无失真，放大比例系数由R3和R1决定，即A=R3/R1，C1、C3起隔直作用，电容C2的作用是用来限制通频带的宽度。
C2越大，频带越窄；C2越小，频带越宽。
实验二脉宽调制比较器及死区时间控制
该部分的作用是将误差放大器输出的波形与三角波发生器输出的波形进行比较。
输出一个脉宽与误差放大器输入信号幅值成比例的可变脉宽方波。
三角波频率远远高于输入信号频率，相当于对输入信号采样点大大增加，从而保证还原后的波形不失真。
其中核心器件为LM139，该芯片为四比较器集成电路。
这里所要注意的是必须使三角波和音频信号的电压中心线重合，即LM139的④、⑤管脚的静态电位相同，否则脉宽调制信号的占空比将不能在要求的范围内变化。
我们通过可调电阻R12来实现这一要求。
脉宽调制比较器电路如图3.6所示。
图3.6 脉宽调制比较器电路
提示：死区时间不应超过调制脉冲的1/10，否则输出的波形将出现明显的失真；另外，死区时间也不可过短，否则桥路管子将会共同导通，在极短的时间内大电流将从MOS1、MOS2和MOS3、MOS4同时流过，造成电能的损耗，使整体的效率下降，甚至烧毁管子。
所以死区时间的建立是整个D类放大器性能提高的关键之一。
电路如图3.7所示。
图3.7 时间建立电路
实验三高速门开关和滤波网络
高速门开关和滤波网络电路如图3.8所示。
驱动电路除注意其驱动能力外，还应注意要使其反应尽量快，提高对窄脉冲的反应，以保证对波形的完整还原。
在高速低耗的MOS管的D极和S极间反向并联上高速二极管(VD1～VD4)，使电感(L1、L2)上产生的电流在死区时间内快速泄放，以保证下一个调制脉冲的电流正常工作，否则桥臂会出现电流的停滞，输出波形将会出现失真、幅值过小等。
滤波网络的主要功能是滤除高次谐波，还原调制波中所带载的低频信号。
滤除效果的好坏主要取决于与负载相并联的电容的大小，电容越大，滤波效果越好，但是电容越大，放大器的频带宽度、放大倍数及频率都会受到影响。
通过反复实验，我们选择了4.7μF的电容，使上述三者达到了较好优化。
此外，电感大小也是影响这三者的重要因数，电感相对小时，会大大提高三者的指标，但过小又会降低高次谐波的滤除效果，实验证明选择20μF的电感较为合适。
图3.8 高速门开关和滤波网络
第2节功率测量与保护
实验四信号变换电路及保护电路
信号变换电路如图3.9所示。
精密放大器AD521有高输入阻抗、悬浮输入、高共模抑制比、高精度、低漂移和低噪声的特点。
联入网络之前，应首先对AD521进行调零，即输入短路时，调整④、⑤、⑥管脚间10kΩ的滑动变阻器，使输出为零。
接入网络后，1MΩ电阻和100kΩ电阻的分压比为1/10，所以放大器的放大倍数应为10才能使变换电路总的放大倍数为1。
通过调整5kΩ的滑动变阻器使放大器的放大倍数为10。
这样就得到了一个放大倍数为1的信号变换电路，将功率放大器双端输出信号转换为单端输出。
图3.9 信号变换电路
保护电路如图3-10所示。
用电流互感器取主电路电流，经变换后送到滞回电压比较器，形成短路保护信号，送至高速开关电路，锁定脉宽调制信号输出，达到可靠的输出短路保护功能。
图3-10 保护电路
实验五功率测量电路
在负载一定时(8Ω)，功率与电压的平方成正比，所以我们将变换电路的输出接低通网络后再接入由乘法器搭成的平方电路。
功率测量电路如图3.11所示。
图3.11 功率测量电路
乘法器芯片我们用的是AD533，其那边包含了一个运放。
此电路的关键部分在电路调零。
我们的调零是在①、②管脚短接的情况下进行的，步骤如下：①当X=0时，调Z O使输出为0V。
②当X=10V DC时，调增益使丝绸为+10V DC。
③当X=－10V DC时，调X O使误差减半，再调增益使误差为零。
④当输入接地时，检查输出补偿。
如果输出不为零，重复上述步骤直至输出无误差。
测试表头是测量直流电压的三位半表头，所以要将交流变为直流。
我们将平方电路的输出接滤波网络变为直流后接入表头，使其作为功率来显示功率放大器的输出功率。
其边比可由乘法器AD533内部运放的放大倍数调节，调节①、②管脚的电阻值，使功率表输出的精度优于5%。
第3节调试与分析
1.误差放大器放大倍数A=R3/R1=5；使R2=R4，则保证了输出波形上下于
2.5V对称；随C2的减小，误差放大器频带将会变宽，当C2=180pF时，频带为20kHz。
2.三角波调试我们通过改变电容C4值来改变频率。
变大电容值，频率变低；变小电容值，频率变高。
最终我们取C4为4700pF，使三角波频率约为100kHz。
3.比较器调试其关键操作是必须保证输入两信号的中心电压相同从而才能正确比较；方法是先将误差放大器输出波中心电压确定，通过调节R12来改变三角波中心电压。
4.死区时间采用示波器的双路通道，观察两个输出端的波形。
通过变换电阻和电容的大小，使两个小波形的高电平部分不会出现重合的部分，保证死区时间不会过小。
在整体调试时，采用上述方法来取得整体的最优效果。
5.高速门电路检测两桥臂的输出部分，观察其死区时间的大小。
应尽量保证死区时间小于调制脉宽的1/10，并注意输出电压的峰峰值应大于4.8V，否则，说明桥臂上的管子的速度不匹配。
信号变换电路及功率测量显示电路的调试参见总体设计部分及图3-1所示。
6.测量结果分析
（1）最大不失真输出功率为多少。
（2）输出正弦信号无明显失真时的3dB通频带为多少。
（3）输入阻抗为多少，电压放大倍数为多少。
（4）在电压放大倍数为10倍、输入端接地时测量低频噪声电压(20kHz以下)为多少。
（5）在输出功率500mW时测量的功率放大器效率为多少。
（6）输出功率为多少时，效率最高。
（7）在输出功率保持为200mW时，电源电压最低可降到多少伏。