丁類功放的研究

1、通信電子線路課程研究性學習D類功率放大器的研究目錄摘要1Abstract1一、概述1二、工作原理11、三角波產生22、前置放大級23、PWM調制24、功率放大35、低通濾波4三、其他功率放大器51、A類放大器52、B類放大器：53、AB類放大器5四、實際應用51、手持嵌入式設備開關特性52、小型便攜式功放高效特性6五、參考文獻6 1摘要：傳統(tǒng)的模擬功放存在效率低的缺點，為此本文介紹了基于脈寬調制技術的數(shù)字D類功率放大器。指出了D類功率放大器工作原理、組成電路和實際應用，以及和其他功率放大器相比的優(yōu)點。Abstract: The low efficiency of the shortcoming

2、s of traditional analog amplifier exists, for that reason this paper based on the digital class D amplifier pulse width modulation technology. Pointed out the Class D amplifier works, circuits, and practical applications, and advantages compared to other amplifier components.關鍵詞：D類功率放大器 原理 優(yōu)點Keyword

3、s: Class D power amplifier, principle, advantages一、概述D類功放也稱為數(shù)字功放，與模擬功放的主要差別在于功放管的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)模擬放大器有A類、B類、AB類和C類等。一般的小信號放大都是A類功放，即A類，放大器件需要偏置，放大輸出的幅度不能超出偏置范圍，所以，能量轉換效率很低，理論效率最高才25%。B類放大，也稱B類放大。B類放大不需要偏置，靠信號本身來導通放大管，理想效卒高達78 5%。但因為這樣的放大，小信號時失真嚴重實際電路都要略加一點偏置，形成AB類功放，這么一來效率也就隨之下降。雖然高頻發(fā)射電路中還有一種C類，即C類放大，效

4、率可以更高，但電路復雜、音質更差，音頻放大中一般都不采用。這幾種模擬放大電路的共同特點是晶體管都工作在線性放大區(qū)域中，它按照輸入音頻信號的大小控制輸出的大小，就像串在電源與輸出間的一只可變電阻，控制輸出，但同時自身也在消耗電能。D類放大器，它的理想效率為100 %，實際能達到90%以上，遠遠超過常見的A、B、C類放大器。把D類放大器到工業(yè)生產中，不僅可以節(jié)省能源，而且還在輸出同樣功率的情況下能提高工作的可靠性、延長晶體管的使用壽命、減小功放級的體積和重量、降低成本等。因此D類放大器具有重要的實用意義。二、工作原理模擬D類放大器一般可分為前置放大級、PWM調制、功率放大與低通濾波四個部分。其中P

5、WM調制和功率放大是D類放大器的核心。如圖是D類功率放大器的工作流程：1、 三角波產生方案：利用NE555產生三角波。該電路的特點是采用恒流源對電容線性沖、放電產生三角波，波形線性度較好、頻率控制簡單，信號幅度可通過后加衰減電位器控制。方案：對方波積分產生三角波。積分器與比較器級聯(lián)，通過對比較器產生的方波積分得到三角波，頻率與幅值控制只需調整某些電阻值，控制簡單。2、 前置放大級前置放大器是在功率放大器之前而加入的一級放大電路。其目的是對輸入的功率放大器的各種信號源進行加工處理，或放大，或衰減，或進行阻抗變換，使其和功率放大器的輸入靈敏度相匹配。對其要保證低噪聲，高信噪比，高轉換速率，輸出電阻

6、要小及頻帶要寬等要求。為此在差分輸入對管要選用低噪聲優(yōu)質的結型場效應管，運算放大器應選用低噪聲，高速器件，電阻電容選用高精度，高穩(wěn)定度及高質量元件。3、 PWM調制D類放大三極管是作為開關運用的，它要求輸入信號具有一定的激勵功率，并且是矩形脈沖。PWM調制器也稱為脈沖寬度調制器。該電路的作用是把加在它的輸入端的模擬信號變成寬度或者占空比與輸入信號成正比的脈沖。它由三角波產生器、電壓比較器和驅動功率場效應晶體管的柵極驅動電路組成。三角波產生器是利用恒定電流對一個電容器的充電和放電而形成三角波。三角波的頻率就是D類音頻功放的振蕩器頻率，它是固定的。 脈寬調制電路即PWM控制電路，實質上是

7、一個電壓比較器，如圖所示。它的同相端輸入前置放大器的輸出信號電壓，它的反相端輸入鋸齒波電壓。這兩個電壓經比較后，輸出與音頻信號幅度值成正比的脈寬信號。4、 功率放大單端輸出的D類放大器實際上是一個沒有偏置電路的電子開關。晶體三極管作為接通/斷開的開關元件。當基極未被信號激勵時，三極管的工作點在伏安特性曲線的截止區(qū)，當基極有信號激勵時，三極管則從截止狀態(tài)進入飽和導通狀態(tài)，工作點移到飽和區(qū)。在工作原理上和A、B、C類就有了很大的區(qū)別。D類放大三極管集電極電流和集電極發(fā)射極電壓的乘積總是極小的，因而三極管在工作中基本上不消耗電源能量。它把電源功率兒乎全部轉換給負載，大大提高了電源利用率。事實上由于關

8、斷時器伴尚有微小漏電流，而導通時，器件并未完全短路，尚有一定管壓降，故存在較少直流損耗，效率不能達100% ,實際在80-90%，是實用放大器中效率最高的。當輸入信號加到三極管基極時，三極管集電極將形成脈沖電流i。根據付里葉級數(shù)，這種脈沖電流可以分解成直流和基波、二次、三次等交流成分。其中最主要的是直流分量和基波分量，其它諧波成分較小可忽略不計。5、 低通濾波濾波器的作用是濾除載波，使輸入的音頻信號完全通過。只需要用一個低通濾波器。但由于此時電流很大，RC結構的低溫濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。在三極管集電極回路上接的是一個LC并聯(lián)諧振槽路，它的固有振蕩頻率和基波電流相同

9、。當集電極電流流過繞組時，槽路將起到濾波器作用。對于基波電流呈現(xiàn)高阻抗，并且是純阻性。負載電阻RL上獲得較大功率。對于其他各次諧波槽路呈現(xiàn)低阻抗，分別由電感和電容濾掉，因此輸出很小。同時集電極損耗很小。由于三極管在接通/斷開的狀態(tài)轉換過程中不可避免地產生過渡損耗，在導通狀態(tài)還存在飽和損耗。由于上述原因，D類放大的實際效率不可能為100%，只能達到80-90%以上。三、其他功率放大器1、 A類放大器放大器的工作點Q設定在負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內均導通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調試方便。但效

10、率較低，晶體管功耗大，效率的理論最大值僅有25%，且有較大的非線性失真。2、 B類放大器：放大器的靜態(tài)點在（VCC，0）處，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內，Q1導通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當Vi為負半波正弦波，所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高（78%），但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內，故其缺點是交越失真較大。3、 AB類放大器晶體管的導通時間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點。綜上所述，A類、B類和AB類放大器是模擬放大器，D類放大器是數(shù)字放大器。B類和A

11、B類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小，功放晶體管功耗較小，散熱好，但B類放大器在晶體管導通與截止狀態(tài)的轉換過程中會因其開關特性不佳或因電路參數(shù)選擇不當而產生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真，頻率響應曲線好、外圍元器件少的優(yōu)點。AB類放大器和D類放大器是音頻功率放大器的基本電路形式。四、實際應用1、 手持嵌入式設備開關特性傳統(tǒng)的模擬功放存在效率低的缺點，不適合手持設備應用?；诿}寬調制技術的D類功率放大器，通過在功放前端和后端加入濾波電路的方法降低了功放噪聲。并加入了逆變控制電路來減小系統(tǒng)的靜態(tài)噪音，從而實現(xiàn)了嵌入式音視頻系統(tǒng)中D類功放的低噪聲設計。隨著嵌入式手持設備對電源效率的要求

12、越來越高，傳統(tǒng)的模擬功率放大器已經不能滿足嵌入式設備對電源效率的要求。TPA 2005無濾波器D類音頻功率放大器是TI公司開關型功率放大器產品，TPA 2005具有AB類功率放大器的性能和D類功率放大器的效率，且不需要傳統(tǒng)D類功率放大器的輸出濾波器，也不需要散熱器，因而節(jié)省了電路板面積，降低了設計成本。TPA 2005器件采用2.5-5.5V單電源電壓供電，該器件可向8 負載輸出高達1.4W的功率，且效率高達85%，失真度低。因而可以廣泛應用在PDA，MP3等手持設備中。例如，我所參加的大學生創(chuàng)新實驗嵌入式智能導游器的研究，就可以采用D類功放。2、 小型便攜式功放高效特性D類功放消耗電能的量非

13、常少，幾乎90%以上的電能都能用在驅動喇叭的功率上，用來驅動需要大功率的超低音系統(tǒng)再適合不過。常用于汽車內功放。五、參考文獻1徐國鼐.全數(shù)字功率放大器的最新動向J.實用影音技術,2002,03:55-58.2胡凌峰.全固態(tài)中波發(fā)射機射頻功率放大器原理與維護A.2007第二屆全國廣播電視技術論文集2（上）C.:,2007:2.3張姿,黃廷磊.射頻治療儀的功率放大技術研究A.NortheasternUniversity,China、IEEEIndustrialElectronics(IE)Chapter,Singapore、GuilinUniversityofElectronicTechnology,China.2009中國控制與決策會議論文集（3）C.NortheasternUniversity,China、IEEEIndustrialElectronics(IE)Chapter,Singapore、GuilinUniversityofElectronicTechnology,China:,