开关模式（D类）音频功率放大器的设计及运用

郭哲

（广东省中山市中等专业学校，广东中山，528400）

1 音频功率放大器概述

音频功率放大器是音响电路中不可缺少的、起重要作用的放大器，它的任务是对已放大的电压信号进行功率放大，得到足够大的输出功率去推动扬声器发声，并且减少自身的损耗。传统模拟放大器有甲类（A类）、乙类（B类）和甲乙类（AB类）等。一般的小信号放大都是A类功放，理论效率值最高为50%。B类放大理想效率高达78.5%，但信号失真严重。实际电路加一点偏置，就形成AB类功放，这样一来效率也随之降低。然而，若采用D类放大器，情况就有所不同了，此功放工作在开关状态，理论状态晶体管导通时的内阻为零，两端没有电压，当然没有功率消耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也不消耗功率。所以作为控制元件的晶体管本身不消耗功率，电源利用率就特别高，输出效率能达到100%。也正因为如此，它不需要散热片，功放体积可以做得更小。

2 D类音频功率放大器的工作原理与设计

D类功放也称数字功放，它不同于A类、B类和AB类工作方式，它采用切换电压方式的同时利用PWM信号控制导通时间以放大信号。其输出级的工作状态要么完全导通，要么完全截止，因此输出器件的功率甚小。由于D类功放利用晶体管快速切换的开关特性，以开关方式把模拟音频信号进行脉宽调制（PWM），使它的效率远比A类、B类和AB类要高得多。在电源电压为额定值时，D类功放的效率达80%以上。D类放大器分为5个主要组成部分：音频输入电压放大、基准三角波装置、PWM脉宽调制、功率放大输出、低通滤波和负载。

D类放大器的输出晶体管工作时处于完全导通和截止状态，在“导通”与“截止”之间几乎没有线性区域，这就是D类放大器与传统放大器的主要区别。输入的音频信号为模拟信号，在音频放大模块进行电压的放大调整，然后与三角波发生器产生的等幅三角波进行电压比较，形成被调制的脉宽信号PWM，脉宽信号是一种脉冲宽度随输入信号的幅度大小变化而变化的方波信号。输入信号电压高，就意味着占空比高，此脉冲信号被功率放大器放大后送到滤波器进行滤波（即解调），滤掉PWM的高频载波，最后推动扬声器发音。理论上，D类放大器能有100%的输出功率，但是在实际的工作中受到种种原因、条件的影响与限制，输出效率只能接近此理想值。

■2.1 电路设计制作参数要求

在实践教学中，我要求学生按以下参数进行设计：(1)电路使用6V直流电源；(2)电路输出功率为1W左右；(3)音频放大器的频率响应范围为50Hz～20kHz；(4)功放管应处于开关状态，音频信号调制高频信号，要求有低频滤波器；(5)电源效率要不小于60%；(6)电路负载为8Ω。

■2.2 电路设计

D类放大器的各个模块分别是音频输入放大、三角波发生器、电压比较器、H桥形功率输出和滤波器。

图1

2.2.1 音频输入放大电路

图1所示，本电路采用了TL062集成运放，此运放的高频响应较好，通频带理论值达到0～20kHz。电源消耗功率低，特别在待机状态下电源供电时，该集成运放内部各点对地的电压都将相应提高，因而输入电流小。另外本电路采用单电源供电，大大降低制作成本。但是双电源的集成运放由单电源供电，输入电压为零时，输出不为零，这无法通过调零电路解决的。为使双电源集成运放在单电源供电下能正常工作，必须将输入端的电位提升。

电路中的R22、R10是电位提升电阻（即偏置电阻），静态时的输出电平为R10Vcc/(R10+R22)=1/2Vcc。电容C14为隔直流电容。电路的放大倍数为Au=(R23+R24)/R14。为了使电压放大倍数得到连续调整，将电阻R23设置成可变电阻。当R23=0时，Au=R24/R14=1倍；当R23=120k时，Au=38.5倍。

因为放大器推动的是一个变化的负载，那么为了在负载变化时保证放大器的输出电压比较稳定，就在前级放大器后接入电压跟随器。电压跟随器具有极高的输入阻抗和很小的输出阻抗，因此音频输入放大电路的带负载能力较强。

2.2.2 三角波发生器电路

三角波是最适合作为载波信号，正如上所述，载波频率的选择必须在好的高频输出波形和大的开关损耗之间权衡。也就是说载波频率的选择必须兼顾好解调输出波形和高的电源效率。降低载波频率能减少开关损耗，提高载波频率则更有利于输出滤波器的解调。本电路采用100kHz的载波频率。

本电路是由三级门电路CD4069B组成的标准基准三角波，一般压控振荡器都用正负电源，而本电路只用一个电源，电路如图2所示。R2这可变电阻起三角波幅值的微调作用，当采用CD4000B系列反相器时，振荡频率在150kHz以内为宜。电容C1应该是无极性的电容器，且漏电应该十分小，所以选用瓷片电容。电路的振荡频率为f=R8/4CR11(R1+R2)×{1-[(2R11/R9)×(2R11/R9)]×[(Ei/VCC-1/2)×(Ei/VCC-1/2)]}。其中 Ei是输入电压。

图2

2.2.3 电压比较器电路

本电路如图3所示，采用LM339集成块作为电压比较器的核心元件。该集成芯片具有较高的转换速率，适应电压范围较广，约在2～36V范围；响应时间为300ns。利用它能将三角波、信号波形转换成为矩形波，能获得比较理想的上升沿和下降沿，即使频率高达250kHz也能胜任。

由于电源电压为单电源（+6V），所以两个输入端均使用了分压比为1/2的分压器，将输入端电位定为电源电压的一半。C2、C3用来隔直流。

图3

2.2.4 H桥形功率输出级电路

为了加快开关速度，降低功率的消耗，选用了增强型VMOS对管IRF9540和IRF540构成H桥功率输出级。如图4所示，这种三极管的导通电阻很小，约在0.5Ω以下，这就使得三极管对后面8Ω的负载的影响就微乎其微。同时MOS管的开关速度也非常高，在用CD4069做驱动的情况下输出矩形波的上升沿与下降沿非常陡，另外所选的VMOS管的击穿电压都很高，要求≥400V，所以电路中省掉了过压保护电路。

另外为了简化电路，将H桥的左桥臂的输出直接连接到右臂的输出端，这样便省去了一个驱动电路，事实证明这是完全可行的。H 桥工作原理：当CD4069驱动电路输出低电平时，Q1的VGS<0(Q1、Q2的1脚为G极，2脚为S极，3脚为D极)，Q1导通，Q4的VGS>0，（Q3、Q4的1脚为G极，2脚为D极，3脚为S极），Q4导通。信号流向是从Q1的S、D极→L1→L3→R17→C13→L4→L2→Q4的D、S极→地；当CD4069驱动电路输出为高电平时，Q3的VGS>0，Q3导通，Q2的VGS<0，Q2导通，信号流向是从Q2的S、D极→L2→L4→C13→R17→L3→L1V→Q3的D、S极→地。

2.2.5 输出滤波器电路

图4

如图5所示,放大后的音频脉冲电流，经过4级的巴特奥兹低通滤波器，滤除PWM产生的高频干扰。这种滤波器对幅频响应的要求是：在小于截止频率的范围内，具有最平幅度的响应，而在大于截止频率时，幅频响应迅速下降。电路中L1=L2=50μH；L3=L4=11.5μH。 公 式 为C=1.414/(RL×4×3.14×fo)，L=1.414×RL/4×3.14×10)，Fo是滤波器的截止频率。

图5

3 技术展望

由于D类放大器的开关特性，从实用的角度来说，只要PWM有足够的精度和频率，就有可能获得可接受的控制特性及不错的音频效果。精度应该是16位（或更大），PWM载波频率应不低于音频带宽的12倍，最好是25倍。跟其它音频设备一样，提高动态范围的精度也很重要。标准CD播放器的精度是16位。另外由于PDM（脉冲密度调制）方式的数字放大器的开发，D类放大器在音响HI-FI领域中前景一片光明。

* [1]华中工学院工业电子学教研室编，康华光主编：电子技术基础—模拟部分（第三版）[M]，高等教育出版社.1997,6.

* [2]沈嗣昌 蒋璇 臧春华主编，数字系统设计基础（第二版）[M]，航空工业出版社，1996.

* [3]朱达成 张宝玉 张文骏编著,模拟集成电路的特性及应用[M]，航空工业出版社，1994.

* [4]段九州主编,振荡电路实用设计手册[M]，辽宁科学技术出版社，2002,8.