丁类功放的研究

1、通信电子线路课程研究性学习D类功率放大器的研究目录摘要1Abstract1一、概述1二、工作原理11、三角波产生22、前置放大级23、PWM调制24、功率放大35、低通滤波4三、其他功率放大器51、A类放大器52、B类放大器：53、AB类放大器5四、实际应用51、手持嵌入式设备开关特性52、小型便携式功放高效特性6五、参考文献6 1摘要：传统的模拟功放存在效率低的缺点，为此本文介绍了基于脉宽调制技术的数字D类功率放大器。指出了D类功率放大器工作原理、组成电路和实际应用，以及和其他功率放大器相比的优点。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.关键词：D类功率放大器 原理 优点Keyword

3、s: Class D power amplifier, principle, advantages一、概述D类功放也称为数字功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。传统模拟放大器有A类、B类、AB类和C类等。一般的小信号放大都是A类功放，即A类，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以，能量转换效率很低，理论效率最高才25%。B类放大，也称B类放大。B类放大不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效卒高达78 5%。但因为这样的放大，小信号时失真严重实际电路都要略加一点偏置，形成AB类功放，这么一来效率也就随之下降。虽然高频发射电路中还有一种C类，即C类放大，效

4、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。这几种模拟放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号的大小控制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自身也在消耗电能。D类放大器，它的理想效率为100 %，实际能达到90%以上，远远超过常见的A、B、C类放大器。把D类放大器到工业生产中，不仅可以节省能源，而且还在输出同样功率的情况下能提高工作的可靠性、延长晶体管的使用寿命、减小功放级的体积和重量、降低成本等。因此D类放大器具有重要的实用意义。二、工作原理模拟D类放大器一般可分为前置放大级、PWM调制、功率放大与低通滤波四个部分。其中P

5、WM调制和功率放大是D类放大器的核心。如图是D类功率放大器的工作流程：1、 三角波产生方案：利用NE555产生三角波。该电路的特点是采用恒流源对电容线性冲、放电产生三角波，波形线性度较好、频率控制简单，信号幅度可通过后加衰减电位器控制。方案：对方波积分产生三角波。积分器与比较器级联，通过对比较器产生的方波积分得到三角波，频率与幅值控制只需调整某些电阻值，控制简单。2、 前置放大级前置放大器是在功率放大器之前而加入的一级放大电路。其目的是对输入的功率放大器的各种信号源进行加工处理，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其和功率放大器的输入灵敏度相匹配。对其要保证低噪声，高信噪比，高转换速率，输出电阻

6、要小及频带要宽等要求。为此在差分输入对管要选用低噪声优质的结型场效应管，运算放大器应选用低噪声，高速器件，电阻电容选用高精度，高稳定度及高质量元件。3、 PWM调制D类放大三极管是作为开关运用的，它要求输入信号具有一定的激励功率，并且是矩形脉冲。PWM调制器也称为脉冲宽度调制器。该电路的作用是把加在它的输入端的模拟信号变成宽度或者占空比与输入信号成正比的脉冲。它由三角波产生器、电压比较器和驱动功率场效应晶体管的栅极驱动电路组成。三角波产生器是利用恒定电流对一个电容器的充电和放电而形成三角波。三角波的频率就是D类音频功放的振荡器频率，它是固定的。 脉宽调制电路即PWM控制电路，实质上是

7、一个电压比较器，如图所示。它的同相端输入前置放大器的输出信号电压，它的反相端输入锯齿波电压。这两个电压经比较后，输出与音频信号幅度值成正比的脉宽信号。4、 功率放大单端输出的D类放大器实际上是一个没有偏置电路的电子开关。晶体三极管作为接通/断开的开关元件。当基极未被信号激励时，三极管的工作点在伏安特性曲线的截止区，当基极有信号激励时，三极管则从截止状态进入饱和导通状态，工作点移到饱和区。在工作原理上和A、B、C类就有了很大的区别。D类放大三极管集电极电流和集电极发射极电压的乘积总是极小的，因而三极管在工作中基本上不消耗电源能量。它把电源功率儿乎全部转换给负载，大大提高了电源利用率。事实上由于关

8、断时器伴尚有微小漏电流，而导通时，器件并未完全短路，尚有一定管压降，故存在较少直流损耗，效率不能达100% ,实际在80-90%，是实用放大器中效率最高的。当输入信号加到三极管基极时，三极管集电极将形成脉冲电流i。根据付里叶级数，这种脉冲电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，其它谐波成分较小可忽略不计。5、 低通滤波滤波器的作用是滤除载波，使输入的音频信号完全通过。只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，RC结构的低温滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用LC低通滤波器。在三极管集电极回路上接的是一个LC并联谐振槽路，它的固有振荡频率和基波电流相同

9、。当集电极电流流过绕组时，槽路将起到滤波器作用。对于基波电流呈现高阻抗，并且是纯阻性。负载电阻RL上获得较大功率。对于其他各次谐波槽路呈现低阻抗，分别由电感和电容滤掉，因此输出很小。同时集电极损耗很小。由于三极管在接通/断开的状态转换过程中不可避免地产生过渡损耗，在导通状态还存在饱和损耗。由于上述原因，D类放大的实际效率不可能为100%，只能达到80-90%以上。三、其他功率放大器1、 A类放大器放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效

10、率较低，晶体管功耗大，效率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。2、 B类放大器：放大器的静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是交越失真较大。3、 AB类放大器晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。综上所述，A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。B类和A

11、B类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好、外围元器件少的优点。AB类放大器和D类放大器是音频功率放大器的基本电路形式。四、实际应用1、 手持嵌入式设备开关特性传统的模拟功放存在效率低的缺点，不适合手持设备应用。基于脉宽调制技术的D类功率放大器，通过在功放前端和后端加入滤波电路的方法降低了功放噪声。并加入了逆变控制电路来减小系统的静态噪音，从而实现了嵌入式音视频系统中D类功放的低噪声设计。随着嵌入式手持设备对电源效率的要求

12、越来越高，传统的模拟功率放大器已经不能满足嵌入式设备对电源效率的要求。TPA 2005无滤波器D类音频功率放大器是TI公司开关型功率放大器产品，TPA 2005具有AB类功率放大器的性能和D类功率放大器的效率，且不需要传统D类功率放大器的输出滤波器，也不需要散热器，因而节省了电路板面积，降低了设计成本。TPA 2005器件采用2.5-5.5V单电源电压供电，该器件可向8 负载输出高达1.4W的功率，且效率高达85%，失真度低。因而可以广泛应用在PDA，MP3等手持设备中。例如，我所参加的大学生创新实验嵌入式智能导游器的研究，就可以采用D类功放。2、 小型便携式功放高效特性D类功放消耗电能的量非

13、常少，几乎90%以上的电能都能用在驱动喇叭的功率上，用来驱动需要大功率的超低音系统再适合不过。常用于汽车内功放。五、参考文献1徐国鼐.全数字功率放大器的最新动向J.实用影音技术,2002,03:55-58.2胡凌峰.全固态中波发射机射频功率放大器原理与维护A.2007第二届全国广播电视技术论文集2（上）C.:,2007:2.3张姿,黄廷磊.射频治疗仪的功率放大技术研究A.NortheasternUniversity,China、IEEEIndustrialElectronics(IE)Chapter,Singapore、GuilinUniversityofElectronicTechnology,China.2009中国控制与决策会议论文集（3）C.NortheasternUniversity,China、IEEEIndustrialElectronics(IE)Chapter,Singapore、GuilinUniversityofElectronicTechnology,China:,