大学毕业总结

摘要

半导体技术的进步使D类放大器在便携类，消费类电子产品领域再次受到关

注。D类功率放大器的理论早在上世纪60年代就已经提出，但是由于当时晶体

管反向器的转换速率较低，难以把载波干扰信号输入从输入信号中区分开来，输

出信号有较大的失真，所以并未得到很大的发展。D类功率放大器又称开关型功

率放大器，相比传统的A,B,C,AB类功率放大器，其具有高效、节能、数字化、

体积小、重量轻的特点，适应便携设备高效节能的客观需求,从而在音频模拟集成

领域具有很大的优势。随着设计技术的不断进步,D类功率放大器的性能指标也

逐步提高。D类放大器，既能提供高效率又能实现高音频性能。

本文采用龙鼎微电子公司推出的PAM8610设计制作的D类音频放大系统，有

着优秀的主观听感和毫无生硬刺耳、令人不快的声音，不仅节省了输出量的电感

和电容，节省了PCB面积，而且确保了量产时音质的一致性和可靠性，广泛适

用于平板电视，LCD监视器，投影电视，多媒体播放系统，DVD播放器，游戏

机，BoomBox,音乐设备等。

关键词：A类音频功率放大器，B类音频功率放大器，C类音频功率放大器，AB

音频功率放大器类，D类音频功率放大器，PAM8610

Abstract

SemiconductortechnologyprogressmadeinportabletypeDamplifier,consumer

electronicsfieldagain.ThetheoryofclassDpoweramplifierbackinthelast

century60's,hashadraised,butduetotransistorinverteratlowerconversionrate,it

isdifficulttointerferewiththecarriersignalinputfromtheinputsignaltodistinguish

theoutputsignalhasalargerdistortion,soitdidnotgetmuchdevelopment.ClassD

switchingpoweramplifierpoweramplifier,alsoknownascomparedtothetraditional

A,B,C,ABpoweramplifier,itshighefficiency,energysaving,digital,smallsize,

lightweightcharacteristics,energyefficientportabledevicestoadapttotheobjective

needsoftointegrationinthefieldofanalogaudiohasagreatadvantage.Withthe

designtechnologyadvances,DPowerAmplifierperformanceisgraduallyimproving.

ClassDamplifiers,notonlytoprovideefficientandcanachievehighaudio

performance.

Inthispaper,thePAM8610PowerAnalogMicroelectronicsIntroducesClassD

designoftheaudioamplificationsystem,withgoodsoundeffectandnostiffharsh,

unpleasantvoice,notonlysavestheoutputinductorsandcapacitors,savingPCBarea,

andensureproductionconsistencyandreliabilitywhenthesoundquality,widelyused

inflat-panelTVs,LCDmonitors,projectionTV,multimediaplaybacksystems,DVD

players,gameconsoles,BoomBox,musicequipmentandsoon.

Keywords：Aclass,,Bclass,Cclass,ABclass,Daudiopoweramplifier,,

PAM8610

目录

摘要...................................................I

Abstract..........................................................................................11

1绪言...................................................1

1.1课题背景.......................................................1

1.2本文的工作和意义..............................................2

1.3国内外概况.....................................................3

1.4本文的组织结构................................................4

2功率放大器原理.........................................5

2.1音响基础知识...................................................5

2.1.1声音的基本特性....................................................5

2.1.2音响的结构及参数..................................................5

2.1.3放大器的技术指标..................................................5

2.2功率放大器基本理论..............................................6

2.2.1纯音乐功放........................................................6

2.2.2AV功放............................................................7

2.23功放的分类.........................................................7

2.3传统功率放大器.................................................8

2.3.1A类功率放大器....................................................8

2.3.2B类功率放大器....................................................9

2.3.3AB类功率放大器...................................................11

234c类功率放大器.....................................................11

2.4D类功率放大器概论............................................11

3系统设计...............................................15

3.1PAM8610芯片简介.............................................15

3.2PAM8610性能参数.............................................16

3.3利用PAM8610芯片设计D类功率放大器............................16

3.3.1系统参数..........................................................16

3.3.2电源设计.........................................................17

3.3.3EMI对策.........................................................17

3.3.4PAM8610测量.....................................................18

3.3.5印刷电路板(PCB)设计技术........................................19

4总结.................................................21

致谢....................................................22

参考文献................................................23

独创性声明..............................................24

学位论文（设计）版权使用授权书..........................25

2

1绪言

1.1课题背景

近年来，半导体技术的进步使D类放大器在便携类，消费类电子产品领域

再次受到关注。D类功率放大器的理论早在上世纪60年代就已经提出，但是由

于当时晶体管反向器的转换速率较低，难以把载波干扰信号从输入信号中区分

开来，输出信号有较大的失真，所以并未得到很大的发展。上世纪80年代后，

M0S管的开关频率大大提高，由它构成的反向器的工作频率能够达到250KHZ以

上，由分立电子元件设计的D类功率放大器开始出现，但是由于分立元件的较

大体积和能耗，其优势未能充分发挥出来，难以与传统的A类，B类，AB类功

率放大器竞争。90年代以后，以大规模集成电路为代表的半导体技术为D类功

率放大器注入了新的活力，使其再次得到较大发展川

D类功率放大器又称开关型功率放大器，具有高效、节能、数字化、体积

小、重量轻的特点,适应便携设备高效节能的客观需求，从而在音频模拟集成领域

具有很大的优势。随着设计技术的不断进步,D类功率放大器的性能指标也逐步

提高。D类放大器，既能提供高效率又能实现高音频性能。它使用脉冲宽度调制

(PWM)来把输入信号转换成方波信号，再去驱动输出级功率晶体管。可以有多

种方法来产生PWM信号，最常用的方法是采用三角波载波与输入信号相比较。

另外还可以对数字信号直接使用数字信号处理(DSP)的方法得到PWM信号。D

类功率放大器中的高效率来自于输出级功率晶体管工作在开关状态下，没有静

态电流功耗。D类功率放大器的保真度曾经不及传统的功率放大器，但随着M0S

管速度的提高，已经可以得到较高的PWM信号，现在的D类功率放大器的保真

度已经可以和AB类功率放大器媲美⑵。

D类功率放大器最引人注目的特点在于其极高的效率，一般可达90%左右，

这使其对于传统的A类和AB类功率放大器具有突出的优点。D类功率放大器对

于电源电流的要求有较大降低，设备中电池的使用时间大大加长。采用D类功

率放大器的设备可以使用较小的电池代替原有的大电池，减小的设备体积，降

低了成本⑶。

历史上出现过三代D类放大器设计：

第一代的范例是由托卡塔设计的TacTMillennium,它证实了D类放大器的

概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性

的方向发展。

第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM信号和一个集成的输出级

以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制

等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放

大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器，从

而获得了一定的应用。

第三代是最近一段时一间，现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善,

他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成

精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助

精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系

统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信

号输入的更精细的控制。最后还不能忽视新的架构技术⑷。

1.2本文的工作和意义

D类音频功率放大器具有小尺寸、高效率的优势。利用D类功率放大器可以

设计出更小更薄和更有效率的电子产品，可延长便携式产品电池的使用时间，

因此在业界普遍得到认可。手机、DVD、MP3和PMP等多媒体产品的普及，尤其

加速了D类功率放大器在便携式电子产品中的使用。

本文基于龙鼎微电子公司推出的PAM8610。它是一片10W(每声道)，无输出

LC滤波器并且带有直流音量控制的D类立体声音频放大器,PAM8610的新一代无

滤波器技术实现了低EMI,低失真以及在音频范围内平直的频率响应，这种技术

已经申请了美国专禾!J,使用PAM8610的D类音频放大系统不仅节省了输出量的4

个电感和电容，节省了PCB面积，而且确保了量产时音质的一致性和可靠性.目

前.PAM推出了从1W到25W功率等级的D类放大器ICoPAM8610支持全套查分

输入和单端输入。全查分输入架构大大提高了共模抑制比(CMRR)和纹波抑制比

音量控制,PAM8610内部有32级的数字音量电位器实现-40db至什36db的音量控

制，具体的音量大小由Volume引脚的直流电压决定。另外,可供客户选择的FADE

模式可以使开机音量淡入.PAM8610内部有完善的短路保护和过热关断功能，为

40脚的QFN6*6封装,在IC底部的导热铜板可以使IC的热量迅速传到PCB铜箔

并散失到周围环境中⑸。

PAM8610采用全新的电路结构，有着优秀的主观听感，毫无生硬刺耳令人不

快的声音。PAM8610在12v电源电压、8Q负载、输出功率5W的时候，当对输

出波形进行快速傅里叶变换，可以看到二次谐波失真为一65dB,三次谐波失真

—80dB,失真频谱主要是偶次谐波成分。PAM8610这种类似电子管放大器的音

频特性，可以得到温暖甜美的音色。同时它采用领先的无滤波调制技术，没有

死区时间的约束，可以实现小信号的精确还原。输出级开关动作的次数只有目

2

前流行的无滤波调制方式的一半，EMI特性非常优秀⑹。

本文首先对比研究了各种传统功率放大器的原理特点呢，然后细致研究并设

计了基于PAM8610芯片的D类立体声音频功率放大器。其输出功率为2X3W(负

载4Q),数字音量控制64级，用两个按键实现，稳压电源电压+5V,其THD

W10铲。

1.3国内外概况

IMSResearch报告指出,2007年全球音频放大器市场产值已突破10亿美元，

其中AB类音频放大器约占整体出货量的60归但未来数年内，在手机、笔记本

电脑与家庭影音系统等应用的贡献下，放大器的成长将快速攀升，预估D类放

大器的产值至2011年将可较2006年增长两倍。另根据市场研究机构Gartner

的预测，全球D类音频放大器市场规模将从2006年的3.34亿美元成长到2011

年的6.88亿美元，年复合成长率高达15.6沆

在这波增长中，最主要的驱动力来自液晶电视(LCDTV),而估计2009年全

球液晶电视出货量仍可望成长25%,达1.26亿，以此为基础，D类放大器的增

长自然是水涨船高。同样根据Gartner的报告，平板电视领域的D类音频放大

器的年销售额将在2011年增长至3.59亿美元，年复合成长率达14.7虬除了

液晶电视等大功率需求在近几年的明显提升外，随着D类和AB类放大器价差的

接近，中低功率的应用，例如立体收音机、手机及笔记本电脑等也是不可忽视

的成长力量，这些也是目前台湾地区模拟IC公司主攻的市场。

在手机方面，随着手机喇叭输出功率越来越高，且D类放大器价格愈趋下降，D

类放大器全面取代AB类放大器已是指日可待。在笔记本电脑市场情况亦然，D

类放大器可节省功耗，对于亟需延长电池寿命的笔记本电脑而言无疑是较佳的

选择。

探究D类放大器产业生态，数年前该市场几乎是德州仪器、意法半导体、亚

德诺(ADI)、美国国家半导体等外商盘踞的局面，其中尤以德州仪器市占率最高。

不过，近几年随着台湾地区模拟业者的研发渐有成果，加上该地区晶圆代工业

者提供模拟及混合信号制程的能力精进，使得台湾地区IC设计业者也能成功推

出相关产品，例如瑞昱、茂达、普诚、德信、晶豪与震一等。

据茂达科技介绍，该公司于两年前推出D类放大器，目前在台湾地区手机代

工市场的占有率已达四分之一，另外的应用领域则包括便携式设备、便携式导

航装置(PND)、液晶电视与显示器以及笔记本电脑等，其中尤以家用音响市场为

主攻领域，如iPod扩充基座(Docking)等应用。其中，型号APA2600的D类音

频放大器IC为采用薄型TQFN3x3-16无铅封装及新式调制方式，可有效节省PCB

3

面积。其转换效率高达86%,无需外接散热片，输出功率在电源为5伏特时，4

欧姆喇叭为2.8W；全差动结构与全桥式输出具备高效噪声抑制能力，具备短路

及过热保护。

普诚科技也锁定手机、便携式电子产品等领域。该公司所推出的立体声音

频功率放大器PT2004与同类型产品TPA2012管脚兼容，是一款无需滤波器的

2.2瓦立体声D类音频功率放大器，设有完善的冲击声抑制功能，可有效消除

开/关机时的噪声。由以上厂商的产品导向可知，台湾地区D类音频放大器IC

多应用于手机及便携式产品，至于高功率领域则仍由外商把持。不过，成立于

2001年的德信科技在2006年推出手机用D类音频放大器后，2007年发表2.7

瓦、双声道、免滤波式D类放大器，并于2008年下半年推出10W产品EUA2101,

它是一颗拥有双通道桥接式(BTL)组态的高效率D类功率放大器。其输出功率在

操作电压为12V且输出负载为8欧姆喇叭环境中，当总谐波失真为10%时可连

续输出10W的功率。同时芯片内部也具备短路保护及过温保护电路等机制，以

避免在错误的操作条件下芯片被毁损。此外，该公司现正规划20瓦以上的高功

率D类放大器产品线。

得注意的是，相较于国外大厂具备与DSP整合的能力，台湾地区方面仅有瑞

昱推出DSP整合方案。瑞昱半导体在2008年曾发表D类音频放大器芯片ALC113、

嵌入D类音频放大器的HD音效芯片ALC889,高整合型HD音效芯片ALC269等。

其中，ALC113是一高度整合、具立体声效果的D类音频放大器芯片，可支持达

四组音频输入，同时通过12c控制接口，可进行输出增益调节、音量调整等功

能。瑞昱半导体音频产品经理王柏智特别指出，这是第一个结合了多音频输入

和耳机放大器的高效能立体声效果D类音频放大器。至于ALC269则是一高度整

合型高清音效芯片。ALC269结合了内建喇叭所需要使用每声道2瓦特的D类立

体声音频放大器，可让笔记本电脑制造商缩减物料成本，提供了外部线路精简

的设计，并缩小音效应用线路布局面积⑻。

1.4本文的组织结构

本文的内容安排如下

1简介了D类功率放大器的发展前沿和应用领域，介绍了其突出的优点。

2对比介绍了各种传统功率放大器和D类功率放大器的原理和特点。

3详细介绍了电路中各个部分的设计电路,工作原理和模拟结果。

4本文的结论部分，对整个论文工作进行系统的总结，对于下一步的工作提出

自己的看法。

4

2功率放大器原理

2.1音响基础知识

2.1.1声音的基本特性

音量：它与声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音

响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听音的主观感觉。

音调：是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量“频

率”对应。

人耳的听觉范围：20Hz—20KHz称之为可听声，低于20Hz称为次声，高于

20KHz称为超声，人耳对3KHz—4KHz的声音最为敏感。

音色：又叫做音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功率放大器

的偶次谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音

冷艳，清丽⑻。

2.1.2音响的结构及参数

前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对各种节目源

信号进行选择和处理，对微弱信号将其放大到0.5—1V,进行各种音质控制，

以美化音色。功率放大器，承担放大义务，是将前置放大器输出的音频信号进

行功率放大，以推动扬声器发声。有电压放大和电流放大之分，要求是宏亮而

不失真。

2.1.3放大器的技术指标

(1)额定功率

音响放大器输出失真度小于某…数值(VI%)的最大功率成为额定功率,

表达式：&,U。为负载两端的最大不失真电压，Ri为额定负载阻抗。

其测量条件为信号发生器输出频率为1KHZ,电压Ui=20mV的正弦信号。功

率放大器的输出端接额定负载电阻RL(代替扬声器)，输入端接U，逐渐增大输

入电压直到U。的波形刚好不出现失真，此时对应的输出电压为最大输出电

压。测量后应迅速减小心,以免损坏功率放大器。

(2)频率响应

放大器的电压增益相对于中音频f。(lKHz)的电压增益下降3dB时所对应

5

的低音音频九和高音音频。称为放大器的频率响应。

测量条件如下：调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的50%,输

入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率从20Hz-20KHz（保持U,=20mV不

变）测量负载电阻上对应的输出电压U。。

（3）输入灵敏度

使音响放大器输入额定功率时所需要的输入电压（有效值）成为灵敏度。

（4）噪声电压

使输入为零时;输出负载史上的电压称为噪声电压。测量时使输入端对地

短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载R.的电压波形，用交流电

压表测量其有效值。

（5）信噪比

信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声

音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小

（6）输出阻抗

功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。

（7）阻尼系数

阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力⑼。

2.2功率放大器基本理论

理想的功率放大器是将较小的功率的信号不失真放大到负载所需要的程

度。根据工作方式的不同，功率放大器可主要分为线性功率放大器和非线性功

率放大器。功放的工作原理就是将音源播放的各种声音信号进行放大，以推动

音箱发出声音。从技术角度看，功放好比一台电流的调制器，它将交流电转变

对直流电，然后受音源播放的声音信号控制，将不同大小的电流，按照不同的

频率传输给音箱，这样音箱就发同相应大小、相应频率的声音了。由于考虑功

率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内

部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。按当前音响消费的需求，

民用音响中的功放已基本定型为两大类，即纯音乐功放和家庭影院AV功放1⑻。

2.2.1纯音乐功放

纯音乐功放在设计上强调最低的信号失真，忠实地表现出音乐的场面、细

节和演奏、录制的技巧以满足人们对音乐的最佳欣赏要求，这就是人们常说的

HI-FI（hi-fidelity,高保真）。在设计和生产上，纯音乐功放的要求极为严格。

6

纯音乐功放品质的高低并不完全由它的技术指标所决定，不能简单地看它标注

的功率多少高，频响多么宽，失真多么低，而应该特别注重其设计生产工艺和

音乐的解晰力。比如技术指标并不太高的胆机就要比很多晶体管功放声音好听。

2.2.2AV功放

一般来说包括功放部分和信号处理部分。其功放部分原理上与传统功放没有

什么区别，只不过增加了几个声道，也就是将几个功放结合在了一起；其信号

控制处理部分涉及信号的音频、视频选择、信号解码处理、信号声场处理以及

收音、监听等功能。

一般一台高品质的AV功放首先应该在影视节目的信号处理上有较好的声

场还原，声道隔离度要高，气氛渲染也不能太夸张；其次在功放部分的音质表

现上，尤其是主声道的音质要求尽量接近较好的纯音乐功放皿。

2.23功放的分类

功放一般分为前级功放、后级功放与合并级功放，所谓的合并机就是把前

级、后级集于一身的机器。其前级是用来把信号作初步放大、调节音量的；而

后级则是把前级来的信号作大量放大来推动扬声器。

前级也分为有源及无源两种。有源的前级是使用电源把信号放大，而无源

的前级就只有调节音量的功效。老实讲，当今成功的无源前级不多，因为音源

与后级的内阻有很大分别，只靠一个音量开关把音源与后级连接起来，其内阻

的差别会使动态、细节、频应尽失！有源的前级除了调节音量外，还可作初部

广大及降低音源及后级间内阻之别，即用作缓冲。

后级是把从前级来的信号放大给杨声器用的，后级必须够力去推动扬声器。

所谓够力，不是指越大声越够力。必须有能力去支持整个乐团的大场面而不失

其细节。分开前、后级比合并机好，因为各自有更大的空间去造得更精密。而

两者间也更少干扰，细节表现较多；而且，分开前后级会给发烧友有更多推动

机的选择，更多东西可玩儿1⑵。

功率放大器的首要指标是效率，即输出功率占放大器消耗功率的比，效率

越高消耗越小。另外一个重要指标是总谐波干扰（THD）,用来衡量放大后输出

信号的保真度，THD越小信号的线性度越好，保真度越好。线性功率放大器具

有较高的线性度，但是效率较低。非线性功率放大器具有很高的效率，便于集

成，但是其保真度一般不及传统的线性功率放大器'⑶。功率放大器的效率定义

7

为:

A

n=Axioo%(2.i)

Pi为输出到负载的平均功率，匕为电源消耗的平均偶功率，负载上的平均功率

可以表示为：

在输入为正弦信号Vsin(wt)的情况下，

1,sin(w，)2,V2

^av-TJ)R-2R(2.3)

信号的THD是其保真度的度量，干扰信号越大，干扰频率分量越多THD越大。

经过功率放大后的信号不可避免的存在非线性失真。考虑一个输入信号

%cos(wt+£),输出信号通过傅里叶分解而得到其各个w。倍频的谐波分量。输出

信号的干扰的d(t)可以表示为：

d(t)=V2cos(2w()t+02)+V3cos(3wot+03)+,,,+Vxcos(Nwot+饵)(2.4)

式中每一项为w。倍频的谐波。这时输出信号的THD可以表示为：

(2.5)

2.3传统功率放大器

传统功率放大器根据其工作方式和导通角的不同可以分为A类，B类，AB

类和C类。A类功率放大器在整个信号周期内导通，导通角为360度。B类功率

放大器在半周期内导通，即导通角问为180度。AB类功率放大器则介于两者之

间，即其导通角在略大于180度而远小于360度的范围内。C类功率放大器的

导通角则小于180度1⑷。

2.3.1A类功率放大器

A类功率放大器具有最小的失真，但同时其效率也最低。A类功率放大器中的

晶体管始终偏置在开启下，在整个信号周期内导通，导通角为360度，静态工作

点Q置于负载线的中心，具有最大的线性范围。A类功率放大器最大的特点是信

号失真最小，具有最好的保真度，所以适合使用在高质量的音响设备中。A类功

8

率放大器中输出级的晶体管偏置电流大于输入流，始终都有静态电流和功耗。巨

大的功耗使得这类功率放大器需要较多的散热设备，从而使其大而笨重，价格也

很昂贵。假设输出信号为-sin(wt),输出到负载上的平均功率可表示为

2加=%。4+誓sin(皿)力=VDD1Q=P,S(2.7)

由电源提供的平均功率为VDDIQ,其中IQ为Q点的偏置电流。

=PDD+Pss=2VDD1Q(2.8)

其中Pg和Pss分别为正负电源消耗的功率。可得A类功率放大器的效率为

n=-——xx100%(2.9)

4IQRIVCCJvcc)

当VP=Vcc且％=1武时A类功率放大器具有最大的功率

(2.10)

十C

VC

4

图2.1A类功率放大器

2.3.2B类功率放大器

B类功率放大器相对于A类功率放大器具有较高的效率，但其代价是有较大

的信号失真。B类功率放大器的输出级功率晶体管的静态偏置电流为零，仅在

信号周期内导通，即导通角为180度。在正弦信号每半周期内，上下两个晶体

管只有一侧导通，理论上没有两个晶体管同时导通的情况发生。B类功率放大

器正负电源提供的电流为半正弦波，在忽略交越失真的情况L输出到负载的

9

平均功率可经计算得:

(2.11)

则B累功率放大器的效率为:

XL

万力

2RL

n=—(2.12)

2%

兀

当V产V/时，B累功率放大器具有最大的效率

TT

M=7=78.5%

(2.13)

图2.2B类功率放大器

当输入信号在零附近时，B类功率放大器两侧的晶体管会存在同时闭合的现象，

引起输出信号的失真，这种现象称为B类功率放大器的交越失真。交越失真相当

于丢失了部分的输入信号，严重干扰了输出信号的性能所以B类功率放大器的

输出信号的THD要大于A类功率放大器。B类功率放大器主要用于对功耗要求较

高而对保真度要求一般的场合1⑸。

10

2.3.3AB类功率放大器

AB类功率放大器则介于两者之间，导通角在180度到360度之间，略大于

180度到360度之间，兼顾了两者的效率和失真度。AB类功率放大器在一个信

号周期内，大部分时间那只有一侧的晶体管导通，但是在输入信号接近零时，

两侧的晶体管会同时处于导通，这时有…部分偏置电流存在，多损耗了一小部

分功率，但是这样的工作方式能够大大降低零输入附近的交越失真。AB类功率

放大器相对于A类的非线性失真，保证了较好的线性度。这样的优异能使得AB

类放大器成为绝大多数功率放大器设计中的选择。

2.3.4C类功率放大器

C类功率放大器与AB类功率放大器工作情况相反，其导通角小于180度。

这使其具有比B类功率放大器更高的效率，一般可接近90%,适用于对功耗要

求极高的场合。但是较小的导通角给信号引入更大的失真。

2.4D类功率放大器概论

以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电

流，所形成的直流功率损耗。无信号时电流愈大则直流损耗越大，效率越低。

11

为此，要提高效率则应降低工作点，当无信号输入时，也没有直流损耗。但是,

信号导通角逾小波形的失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求是

相互矛盾的。

如果输入波形其他边沿很陡峭，降低工作点后，对导通角影响很小，那么

失真劣化不大而效率又可以得到提高。波形陡峭的极端状态时输入信号为矩形

波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后边沿是垂直升降的，导通状态都

不会发生变化，这样就诞生了工作于脉冲放大状态的D类功率放大器。

D类放大器工作于开关状态，无信号输入时无电流，而导通时，没有直流

损耗。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时器件并没有完全短路，

尚有一定的管压降，故存在较少直流损耗，效率不能达到100%,实际效率在

80%〜90%,是实用放大器中效率最高的。正是由于D类放大器的效率高，100

瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，连电路板都可

以做的很小，大大减小了体积和重量。并且由于工作比音频高10余倍的脉冲状

态，电源整流纹波对电路工作影响会很小⑼.

D类功放放大的晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接，电流流

通但晶体管无电压，因此无功率消耗。当输出晶体管关闭时，全部电源供应电

压即出现在晶体管上，但没有电流，因此也不消耗功率，故理论上的效率为百

分之百。D类功放放大的优点是效率最高，供电器可以缩小，几乎不产生热量，

因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。但

这种功放工作复杂，增加的线路本身亦难免有偏差，所以真正成功的产品甚少,

售价也不便宜。有一些D类功放集成块音色音质很好，不过它们现在还只应用

在汽车音响中，一些有兴趣的DIY高手把它们改制到了家用音响中‘⑶。

一部功放从外表虽然不能断定音质，但如能观察到供电变压器和滤波电容

的大小，便已先对此机的性能或素质略知一二。A类功固然需要巨大的供电器,

即使AB类机也是愈大愈好。今日许多优质功放都采用环形变压器，取其效率较

方型变压器高而漏磁少。滤波电容等于水塘，储水量越多，供水量越足，功放

的供电充足稳定，才能保证输出晶体管输出最大时仍有取之不尽的电能。许多

英国制造的合并式功放虽然功率并不太大，但却有…个非常充沛的供电器，配

合简单的讯号通道可以达成优异的声音。有些产品的面板上除了音量、平衡、

讯源选择和电源掣外，其它的控制全部取消，令讯号通道尽量缩短。为追求声

音纯美，不惜牺牲控制功能。

当前的电子器件倾向于便携和小的尺寸，音频功率放大器采用了D类技术,

D类功率放大器由于它的高效率，理论上可以达到100%,而受到关注。D类放

大器的输出级是CMOS的功率晶体管组成，提供扬声器负载需要的大量的电流，

这些晶体管工作在或者是截止状态，或者是线形区，而不是饱和区，由于晶体

12

管只是工作在周期间的一小部分是激活的，减小了开关的导通损耗。高的效率

也因此成为可能，效率受D类输出级的晶体管的导通电阻(Ron)影响［⑷。

图2.3D类音频功率放大器的结构框图

图2.3是D类功率放大器的简单框图，D类音频功率放大器在工作方式上与产

生控制PWM电压信号的开关电源相似。图2.4所示为一般的D类音频功率放大

器的组成情况，它主要是由PWM波产生电路，功率放大电路，滤波电路和负反

馈电路四部分组成。

图2.4一般D类功率放大器的总体结构

D类音频功率放大器根据开关放大器的工作方式不同，又分为两种类型：

电压开关型D类功率放大器：使放大器工作时，开关上的电压波形为方波。电

流开关型D类功率放大器：使放大器工作时，开关上的电流波形为方波。

D类功率放大器在设计上必须要注意的包括过电流保护及过热保护，此二

保护电路为功率IC或功率放大器所必备，否则将造成安全问题，甚至伤及其所

连接之电源器件或整个系统。过电流保护或短路保护的简单测试方式乃将任一

输出端与电源端(Vcc)或地端(Ground)短路，在此状况下短路保护电路将被启动

而将输出晶体管关掉，此时将没有讯号驱动喇叭而没有声音输出。由于输出短

路是属于一种严重的异常现象，在短路之后要回到正常的操作状态必需重置

(Reset)放大器，有些IC则可在某一延迟(Delay)时间后自动恢复。详阅各IC

的datasheet即可得知各家各产品不同的作法。至于过热保护，其保护温度通

常设定在150℃~160℃,过热后IC自动关掉输出晶体管而不再送出讯号，待温

度下降20℃或30℃之后自动回复到正常操作状态口2

另外D类功率放大器必须要解决AB类功率放大器所没有的EMI电磁干扰，

13

电磁干扰是由于D类功率放大器之功率晶体管以开关方式操作，在高速开关及

大电流的状况下所产生。在大多数的市场要求下此项EMI干扰必须通过FCC等

电磁干扰的规范，解决的方案是使用LC滤波器或磁珠(bead)滤波器以过滤其高

频谐波。在此规范下EMI成为D类一个进入门坎之一，中高功率的D类功率放

大器因为EMI太强目前采用LC滤波器来解决，小功率则用Bead处理即可，但

通常还要配合PCBlayout及零件的摆设位置1⑹。

比如，采用D类放大器后，D类放大器接扬声器的线路不能太长，这会相

当于外接了一个天线。一些公司的D类放大器仅可支持2cm,做得好的D类放

大器则可支持到10cm,比如TI的D类放大器。目前，市场上有些PDA和智能

手机的做法是采用两个单声道的D类，这样设计更简单一些，而采用立体声D

类设计更因难，这也是后者为什么销售状况不是很好的主要原因。

D类功率放大器的高效率效应除了节省电源件器的成本以外亦节省电源的

浪费或电池的消耗，优化了整个材料系统及使用环境。尤其欧美国家特别重视

绿色环保，就如同高功因控制器(PFC)一样，D类功率放大器有可能成为一种诉

求。虽然目前D类放器的价格比AB类要高出近50%多，但是，随着D类产品的

上量，价格差别会逐渐消除。

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3系统设计

3.1PAM8610芯片简介

龙鼎微电子公司推出的PAM8610,它是一片10W(每声道)，无输出LC滤波器

并且带有直流音量控制的D类立体声音频放大器IC,PAM8610的新一代无滤波器

技术很好实现了低EMI,低失真以及在音频范围内平直的频率响应，这种技术已

经申请了美国专利，使用PAM8610的D类音频放大系统不仅节省了输出量的4个

电感和电容.节省了PCB面积,而且确保了量产时音质的一致性和可靠性.目前，

PAM推出的从1W至25W功率等级的D类放大器IC.PAM8610支持全套查分输入

和单端输入.全查分输入架构大大提高了其共模抑制比(CMRR)和纹波抑制比音

量控制,PAM8610内部有32级的数字音量电位器实现-40db至什36db的音量控制，

具体的音量大小由其Volume引脚的直流电压决定，另外，可供客户选择的FADE

模式可以使开机音量淡入，PAM8610内部有完善的短路保护和过热关断功能.为

40脚的QFN6*6封装，在IC底部的导热铜板可以使IC的热量迅速传到PCB铜

箔并散失到周围环境中，如图3.1所示为PAM8610芯片的结构图。

全新的电路结构，PAM8610有着优秀的主观听感，毫无生硬刺耳令人不快

的声音。PAM8610在12V电源电压，8Q负载、输出功率5W的时候，对输出波

形进行快速傅里叶变换，可以看到二次谐波失真为一65dB,三次谐波失真一

80dB,失真频谱主要是偶次谐波成分。PAM8610这种类似电子管放大器的音频

特性，可以得到温暖甜美的音色。同时它采用领先的无滤波调制技术，没有死

区时间的约束，可以实现小信号的精确还原。输出级开关动作的次数只有目前

流行的无滤波调制方式的一半，其EMI特性非常优秀,⑷。

图3.1PAM8610芯片引脚结构图

15

3.2PAM8610性能参数

1,2*10W的D类数字功放IC。电源13V时，在保证THD小于10%的情况下，

可向8Q负载提供10W的输出功率

2,低噪声：-90dB

3,超过90%的效率

4,32步进直流音量控制有32分贝到-75分贝范围，具有关机静音及淡出功能

5,具有过流，过热和短路保护

6,较低的THD+N设计

7,低静态电流设计

8,杂音抑制功能

9,封装：薄40引脚，QFN尺寸为6mm*6mm

10,无铅环保。

3.3利用PAM8610芯片设计D类功率放大器

为了满足器件的设计要求，应该对外部器件进行恰当的选择。通常的设计

这里不做讨论，只针对比较重要和特殊的部分做出解释。

3.3.1系统参数

(1)电源退耦电容

D类放大器工作的时候，会以窄脉冲的形式向电源汲取电能。在评估板上，

一个大电容、低ESR的电解电容可以快速的补充能量以防止电源电压瞬间跌落。

考虑到电解电容在高频时电感效应增加I,在IC电源引脚旁边就进放置小电容

MLCC电容(10uF和0.1UF并联),以避免这些消极的影响”，

(2)BSN和BSP电容

PAM8610的输出级的全H桥全部使用NMOS,必须使用BSN和BSP电容来保证

H桥完成开关动作。推荐使用至少220nF的电容和至少25V的耐压。

(3)输入电阻Ri和输入电容C

输入电阻同内部数字电位器一起，共同决定闭环增益。关于输入电阻的阻值,

在PAM8610的数据手册上有详细的说明。为了提高共模抑制比(CMRR)和电源

抑制比(PSRR),尽量确保差动输入端的输入电阻匹配(误差不超过1%)。输入

电容和输入电阻串联，组成了一个高通滤波器，低频响应就由这两个元件决定，

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-3dB转折频率可以由下式得到：

fi=1/(2n&Rj

为了降低失真，要求输入电容有比较低的交流失真和比较低的损耗，并且保

证两个差分输入电容匹配i⑻。

(4)C。8c和

放大器的谐振频率由C°sc和Rose的乘积共同决定；fose=6.6/(CoscXRosc)可以

在225kHz~275kHz之间选择，如果取R.sc=120kQ和Cosc=220pF,则整个放大器开

关频率约250kHz0

(5)内部基准电压源退耦电容

PAM8610的内部输入放大器,DVC和0SC部分的电源由IC内部集成的LD0(低

压差稳压器)提供。这些LD0的引出脚上推荐使用1UF的退耦电容，并且尽量

靠近IC引脚。

(6)输出铁氧化磁珠

了限制EML需要在IC的输出引脚上串接铁氧化磁珠(FB)。这些磁珠需要

有足够的低频阻抗和尽量高的高频阻抗，能够承受的持续电流要大于4A。

3.3.2电源设计

在实验室，评估板使用稳压电源供电。一般来说，D类放大器的电源抑制比

(PSRR)比传统线性放大器低，应该尽量保证电源有较小的纹波。由于PAM8610

有90%的高效率，电源储备可以比线性放大器小得多，但是必须要求电源有高

速的响应，在这里，高速低串联等效电阻(ESR)的大电容储能电容是必须的。

一个最为便宜简单的直流稳压源是利用集成稳压芯片LM7805制作的，其电路图

如图3.2所示：

图3.25V稳压电源原理图

3.3.3EMI对策

虽然PAM8610有着优异的EMI特性，但是在系统设计中必须考虑EMI对策。

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输出端在某些极端时刻，同扬声器电磁电路可能形成尖锋脉冲，这些尖峰脉冲

包含了大量高频的能量。输出引脚上串接铁氧化磁珠（FB）,这些磁珠在频率高

于1MHz的时候有很高的阻抗，可以避免高能量辐射到外部。同时，在铁氧化磁

珠之后，输出端和地之间跨接小电容（典型值200pF）可以进一步吸取多余的

高频能量。在系统结构中，应该尽量减短扬声器到放大器输出端的引线，也可

以在引线上加上磁环以取得更好的效果。在某些应用中（例如收音机），可以将

PAM8610的放大器部分放在金属屏蔽罩内以获得最佳的EMI特性:⑼。

3.3.4PAM8610测量

直接在PAM8610的输出引脚上看不到真实的信号波形。在实验室，必须使

用美国AudioPrecision公司的AUX0025滤波器滤除高频调制信号，才可以用

音频分析仪对放大器的性能进行计量。AUX0025在20Hz—20kHz有平直的频

响和相位曲线，在20kHz后频响曲线急剧的下跌，以滤除高频信号。

业余条件下，可以使用简单的RC滤波器滤除高频调制信号.RLOAD为负

载电阻（通常为8Q）,电阻R1和C1组成一个简单的滤波器。使用数字存储示

波器的两个通道在TESTPOINTP和TESTPOINTN两个测试点上分别可以看

到正、负半周的信号，利用MATH功能将两个通道想减，就可以看到放大后的

信号波形。

使用简单的RC滤波器滤除高频调制信号.RLOAD为负载电阻（通常为8Q）,

电阻R1和C1组成一个简单的滤波器。使用数字存储示波器的两个通道在TEST

POINTP和TESTPOINTN两个测试点上分别可以看到正、负半周的信号，利用

MATH功能将两个通道想减，就可以看到放大后的信号波形。如图3.3所示：

TESTPOINTP

610OUTPT器k/

Cl,L

RLOADH-

C2.

ilOOUTNJ,01

JTESTPOINTN

图3.3RC滤波器

当然滤波器也可由两个电感，电容和一个电阻组成。功率输出器输出的信号送

入该滤波器的左端的两个输入端，右端接扬声器发声。当然对于高电感的扬声

器可以省去该滤波电路，而直接接功率输出电路的输出端。如图3.4所示