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类音频功率放大器设计
滤波拓扑概况用于D类功率放大器的滤波器拓扑共有三种：(1) F B-C，铁氧体磁珠和电容；(2) LC，电感和电容；以及(3) “无滤波器”。
某个特定设计应该选择哪种滤波技术，取决于应用的扬声器电缆长度和PCB布局。
下面是这三种滤波器拓扑的优缺点：FB-C滤波如果扬声器电缆长度适中，FB-C滤波足以满足EMI限制。
与LC滤波相比，F B-C滤波方案更为精简，成本效益更高。
但是，由于只能在频率大于10MHz的情况下生效，F B-C滤波的应用范围受到很大的限制。
而且，在频率低于10MHz的情况下，如果扬声器电缆走线不合理，也会导致传导辐射超标。
LC滤波相比之下，LC滤波可以在频率大约为30kHz的情况下即开始起到抑制作用。
当某设计中所用的电缆线较长，而PCB布局又不是很好时，LC滤波无疑是一个“保险的”选择。
但是，LC滤波需要昂贵而庞大的外部元件，这显然不适合便携式设备。
而且，当频率大于30MHz，主电感会自谐振，还会需要额外的元件来抑制电磁干扰。
“无滤波器”滤波“无滤波器”放大器拓扑是最具成本效益的方案，因为它省去了额外的滤波元件。
采用较短的双绞线扬声器电缆时，D类放大器完全可以满足电磁兼容性标准。
但是，和F B-C滤波一样，如果扬声器电缆走线不合理，可能出现传导辐射超标。
还需注意，Maxim的D 类放大器也可以实现“无滤波”工作，只要在放大器的开关频率下扬声器是感性负载。
在输出电压进行转换时，转换频率下的大电感值可使过载电流保持相对恒定。
/disp_art/1010010/13444.html输出级数模转换机制所有D类系统的共同特点及其超群的功率效率的奥秘就在于输出级（通常是MOSFET）的电源器件总是要么全通要么全关。
这与线性放大器形成对比，线性放大器输出晶体管的导通状态随时间变化。
晶体管消耗的功率是其压降与流过电流之积（P=IV），通常占到线性放大器消耗的总功率的50%或更多。
在D类系统中不是这样。
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。
D类功率放大的高效率音频功率放大器设计
D类功率放大的高效率音频功率放大器设计1.1 整体计划计划①：数字计划。
输入信号经前置放大调理后，即由A/D采入举行处理，三角波产生及与音频信号的比较均由软件部分完成，然后由单片机输出两路彻低反向的波给入后级功率放大部分，举行放大。
此种计划硬件容易，但会引入较大数字噪声。
计划②：硬件电路计划。
三角波产生及比较、PWM产生仍由硬件电路实现，此计划噪声较小、且幅值能做到更大，效果较好，故采纳此计划。
1.2 三角波产生电路设计计划①：利用NE产生三角波。
该电路的特点是采纳恒流源对线性冲、放电产生三角波，波形线性度较好、频率控制容易，信号幅度可通过后加衰减电位器控制。
计划②：对方波积分产生三角波。
积分器与级联，通过对照较器产生的方波积分得到三角波，频率与幅值控制只需调节某些值，控制容易。
但考虑积分电路存在积分漂移。
此处采纳挑选计划①。
1.3 PWM波产生计划设计计划①：挺直比较。
取偏重与输入音频信号信置相同，幅度略大的三角波信号与音频信号挺直比较，产生PWM波，后再经反向器产生一路与之彻低反向的PWM波信号给后级放大电路。
计划②：双路比较。
用两路偏置不同的三角波信号与音频信号的上下半部分离比较。
此种计划可削减后缀H桥电路中管的开合次数，削减功率损耗，提高效率。
计划③：将音频信号挺直反向。
在对音频输入信号举行放大调理后挺直将其反向，再对处理后信号分离举行三角波比较，从而产生两路反向的PWM波。
因计划②的效率较高且对抑制共模噪声有一定作用，故选用计划②。
1. 4 短路庇护计划设计第1页共2页。
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类功放数据测量
深圳大学实验报告课程名称：工程实践
实验项目名称：D类功放
学院：
专业：
指导教师：
报告人：学号：班级：
实验时间：2019年5月
实验报告提交时间：2019年6月24日星期一
教务部制
三、制作总结：
（1）本次实验最大体会就是核心板的焊接，第一次焊接失败，由于管脚过于密集，很容易粘连在一起，粘连之后又用电烙铁触碰板子，造成板子的损坏。
针对这个问题，我总结出了“滚动锡球法”（自己造的名字），先用电烙铁把融化的锡球在芯片对应的铜片上滚一圈，然后用镊子夹取芯片，将管脚对准板子上的铜片，固定好之后，用电烙铁加热管脚，铜片上的少量焊锡就会融化在管脚上。
这个方法不易造成粘连，但是可能会虚焊。
（2）学会了将焊好的芯片从板子上取下，学会了使用万用表判断芯片管脚是否虚焊。
（3）本次的实验电路使用了很多电分和模电的基础知识，比如滤波电路，原本知识学习了基础知识，现在更加深刻的认识到了这些模块在电路中的作用。
指导教师批阅意见：
成绩评定：。
D类音频功放设计
D类音频功放设计 Revised by Petrel at 2021D类音频放大器的设计与制作摘要：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300~10000Hz，输出功率IW,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Butterworth低通滤波器。
关键词：D类功率放大器H桥驱动脉宽调制目录1.引言...................................................................................................... 错误!未指定书签。
2.系统方案.............................................................................................. 错误!未指定书签。
2.1总体方案设计................................................................................... 错误!未指定书签。
2.2三角波模块设计方案....................................................................... 错误!未指定书签。
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。
高效率D类音频功率放大器的设计
本科毕业论文（设计）题目高效率D类音频功率放大器的设计作者学院信息科学与工程学院专业电子信息工程学号指导教师二〇年五月十日诚信声明本人声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立开展工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过的作品成果。
对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业论文（设计）作者签名：二○年五月十日摘要随着信息化时代的到来，以功放电路为设计核心的电子产品渐渐地走进人们的生活，耳机、音响等音频功放类电子产品被现代人所迅速的接纳和青睐，随之音频功率放大器得到了快速的发展。
本设计为高效率D类音频功率放大器。
设计主要包括四个部分：前置增益放大电路、三角波产生电路、信号转换电路和显示电路。
在输出信号无失真的情况下测量，3db通频带为300∽3400Hz，最大不失真功率达到150mW，在此情况下测量的功率放大器效率明显大于60%。
设计中采用了高效率的D类功放为设计核心，以D类功放最新成果为设计思想，并配置5V便携式电源供电，完全符合产品市场化与用户需求。
关键词：通频带；最大不失真功率；D类功率放大器；效率ABSTRACTWith the advent of the information age to the core of the amplifier circuit design of electronic products gradually into people's lives, headphones, audio and other audio amplifier electronics are modern and favor the rapid acceptance, along with an audio amplifier to get rapid development.The system is designed is a high efficient Class-D Audio Power Amplifer.Design includes for parts: pre-gain amplifier circuit ,the triangular wave generating circuit,signal conversion circuit and display circuit.In the case of the output signal without distortion measure,3db passband of 300~3400Hz,the maximum distortion power of 150mW,the effciency measured in this case significantly greater than 60%.Design uses a high-efficiency Class D amplifier design core to the latest results for the Class D amplifier design ideas and configure 5V portable power supply products in full compliance with the market and customer needs.Keywords:Passband; Class D power amplifier; Maximum power without distortion; Efficiency目录诚信声明 (I)摘要 (II)ABSTRACT (III)第一章前言 (1)1.1 设计背景 (1)1.2音频功放的概述 (1)1.3 音频功放的分类 (2)第二章方案论证与比较 (4)2.1高效率功率放大器 (4)2.1.1 功率放大器的选择 (4)2.1.2功放核心实现电路的选择 (4)2.2信号变换电路 (6)2.3功率测量电路 (6)第三章各模块电路原理分析与计算 (8)3.1调制电路 (8)3.2高速开关桥式电路 (8)3.3三角波产生电路 (9)3.4驱动电路 (10)3.5低通滤波器模块电路 (11)3.6信号变换模块电路 (11)3.7整体电路性能仿真 (12)第四章系统仿真测试及数据分析 (14)4.1测试仪器 (14)4.2测试结果 (14)4.3结果分析 (15)4.4改进措施 (16)第五章电路调试 (17)5.1不通电检查 (17)5.2通电检查 (17)5.3 测试与调整 (17)5.4整机联调 (18)第六章设计总结与心得 (19)6.1设计总结 (19)6.1.1原理图设计总结 (19)6.1.2电路安装过程总结 (19)6.1.3单元电路调试总结 (19)6.1.4PCB设计总结 (19)6.1.5 整机调试总结 (19)6.2设计心得 (20)参考文献 (21)致谢 (22)附录A：PCB布线图 (23)附录B：元器件清单 (24)第一章前言1.1 设计背景随着信息化时代的到来，以功放电路为设计核心的电子产品渐渐地走进人们的生活，耳机、音响等音频功放类电子产品被现代人所迅速的接纳和青睐，随之音频功率放大器得到了快速的发展。
D类音频功率放大器设计
D类音频功率放大器设计本文首先就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。
标签：功率放大器；调制器；拓扑结构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較大，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。
D类功率放大器设计报告
D类功率放大器设计报告设计报告：D类功率放大器1.引言2.设计原理2.1开关管的选择开关管是D类功率放大器关键的组成部分，常用的开关管有MOSFET （金属氧化物半导体场效应晶体管）和IGBT（绝缘栅双极性晶体管）。
选择合适的开关管需要考虑功率、速度、成本和可靠性等因素。
2.2PWM调制电路PWM调制电路用于将音频信号转化为脉冲信号。
常用的PWM调制电路有比较器、计数器和DAC（数字模拟转换器）等组成。
PWM调制电路的设计需要考虑信号的动态范围、信噪比和失真等因素。
2.3输出滤波电路输出滤波电路用于滤除脉冲信号中的高频成分，以得到放大后的音频信号。
常用的输出滤波电路有LC滤波电路和RC滤波电路等。
滤波电路的设计需要考虑频率响应、衰减系数和阻抗匹配等因素。
3.参数设计在设计D类功率放大器时，需要确定一些关键参数，包括输出功率、工作电压、负载阻抗和失真程度等。
3.1输出功率输出功率是D类功率放大器的重要参数，决定了放大器可以驱动的音箱的大小和音量。
输出功率的选择应考虑实际应用场景和预算因素。
3.2工作电压工作电压直接影响到D类功率放大器的功率效率和失真程度。
工作电压越高，功率效率越高，但是也容易引起更大的功率损耗和失真。
3.3负载阻抗负载阻抗是D类功率放大器输出端连接的音箱或扬声器的特性参数。
负载阻抗的选择应根据音箱或扬声器的要求和放大器的输出功率来确定。
3.4失真程度失真程度是评估D类功率放大器性能的重要指标。
常见的失真包括谐波失真、交调失真和互调失真等。
为了提高放大器的音质，失真程度应尽量小。
4.结论D类功率放大器是一种高效率和低失真的功率放大器，广泛应用于音频功率放大领域。
在设计D类功率放大器时，需要选择合适的开关管并设计PWM调制电路和输出滤波电路。
关键参数的选择包括输出功率、工作电压、负载阻抗和失真程度。
通过合理的设计和优化，可以实现高质量的音频放大效果。
D类功率放大器报告-大学生电子设计竞赛
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。
1方案论证与选择_________________________________ 错误！未定义书签。
1.1高效率功率放大器类型的选择______________________ 错误！未定义书签。
1.1.1高效率功率放大器类型的选择 __________________________ 错误！未定义书签。
1.1.2高速开关电路 ________________________________________ 错误！未定义书签。
1)输出方式 ____________________________________________ 错误！未定义书签。
2)驱动方式 ____________________________________________ 错误！未定义书签。
1.1.3滤波器的选择 ________________________________________ 错误！未定义书签。
2单元电路设计___________________________________ 错误！未定义书签。
2.1D类功率放大器电路______________________________ 错误！未定义书签。
2.1.1D类放大器的工作原理： ______________________________ 错误！未定义书签。
2.1.2三角波发生电路 ______________________________________ 错误！未定义书签。
2.1.3比较器:_____________________________________________ 错误！未定义书签。
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。
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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。
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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。
电路 以音频信号为调制波，频率为 70kHz 的三角波为载波，两路信号均
加上2. 5V 的直流偏置电压，通过比较器进行比较，得到幅值相同， 占空比随音频幅度变化的脉冲信号。
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LM311芯片的供电电压为5V单电源，为给V+ = V—提供2. 5V 的静态电位，取R10= R11, R8= R9, 4个电阻均取10k Q。
由于三角波Vp—p= 2V,所以要求音频信号的Vp— p不能大于2V,否则会使功放产生失真。
由于比较器芯片LM311的输出级是集电极开路结构，输出端须加上拉电阻，上拉电阻的阻值采用1k Q的电阻。
3.驱动电路以及互补对称输出和低通滤波电路
如图4所示。
将PWM言号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用CD40106施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，送给由晶体三极管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保证了快速驱动。
驱动电路晶体三极管选用9012和9014对管。
H桥互补对称输出电路对VMOSFET勺要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。
因输出功率稍大于1W属小功率输出，可选
用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRF9630和IRFZ48N VMOS寸管的参数能够满足上述要求，故采用之。
实际电路如图4所示。
本设计采用4阶Butterworth低通滤波器。
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wvg d i angon. com 图4 H桥互补对称输出及低通滤波电路
对滤波器的要求是上限频率》20 kHz, 在通频带内特性基本平坦。
互补PWM开关驱动信号交替开启Q6和Q8或Q12和Q10,分别经两个4阶巴特沃兹滤波器滤波后推动喇叭工作。
4.电路测试
4.1调试步骤
1）通频带的测量：在放大器电压放大倍数为10,实测3dB通带
的上、下边界频率值。
通频带测试时应去掉测试用的RC滤波器
2）最大不失真输出功率：放大倍数为10,输入1kHz正弦信号, 用毫伏表测量放大器输出电压有效值，计算最大输出功率Po- max
3）输入阻抗：在输入回路中串入10k Q电阻，放大器输入端电压下降应小于50%
4）效率测量：输入1kHz正弦波，放大倍数为10时，使输出功率达到500mW V测量功率放大器的电源电流I （不包括测试用变换电路和显示部分的电流）。
要求电源电压V的范围为5X（ 1 + 1% V。
效率为：500mW%V。
4.2数据分析
根据以上的调试步骤测量，测得数据如表1、表2、表3、图5、图6所示。
图5展示了当输入信号的幅值不变，仅改变其频率，动态放大误差效果图。
由图可知，对于频带以外的信号，系统的放大倍数与输出幅值有明显降低。
对于当信号频率的升高导致EMI （电磁干扰）增强，可以利用低通滤波器降低干扰。
測试点
电孵
接地媒反向疑
测试值 4.9KV0V 2.484 V 2.494 V2,494V
理论们5V QV 2.5V2JV 2.5V
表2脉宽调制（动态）
测试点输入频率输山波形输由城率输山鮎度
测试值100HZ不规则的矩形方波6536KHZ 5.O4V
表3效率测试
瀬试点U J li Pi Uu|u Pu n
测试值SV0.5A 2.5W 3.79V039A
i LSfiKW 沖
W. d Ri f
59.1 %
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图5误差放大（动态）
输入幅度E谕（V> Y-锁出悒度L，「" r~ tt 匚''v
图6最大不失真功率测试数据
功率放大器采用5V 电源，前置放大器的放大倍数调到最大， 适当的调节输入信号的幅值，改变其频率，测量其最大不失真输出功 率及效率见图6。
对于频带以外的信号，功率放大器的最大不失真功 率有明显的降低。
若要提高效率，可以降低载波频率，但输出电压的 谐波成分及失真增加；若要使输出电压非线性失真减少，则需提高 PWM 调制信号的频率。
尽管高频干扰是D 类功率放大器现今存在的主 要问题，但其高效节能的优点，以越来越多的受到了人们的重视。
从上面的数据可知，功放的效率和最大不失真输出功率与理论 值还有一些差距，其原因有以下几方面：
1）在功放电路存在静态损耗。
电路在静态下是具有一定的功耗， 测试其5V 电源的静态总电流约为28mA 静态功耗为：P 损耗=5X 28
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=140mW，则这部分的损耗对总的效率影响很大，且对小功率输出时影响更大。
2）功放输出电路的损耗，这部分的损耗对效率和最大不失真输出功率均有影响。
H桥的互补激励脉冲达不到理想同步，也会产生功率损耗。
3）滤波器的功率损耗，这部分损耗主要是由电感的直流电阻引起的，功率测量电路的误差。
此外，还有测量仪器本身带来的测量误差。