D类功放的基本原理介绍 数字功放

D类功放的原理

在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地。认为A类功放声音 为清新透明，具有很高的保真度。但是，A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。B类功放虽然效率提高很多，但实际效率仅为50%左右，在小型便携式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合，仍感效率偏低不能令人满意。所以，效率极高的D类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视。
　　由于集成电路技术的发展，原来用分立元件制作的很复杂的调制电路，现在无论在技术上还是在价格上均已不成问题。而且近年来数字音响技术的发展，人们发现D类功放与数字音响有很多相通之处，进一步显示出D类功放的发展优势。
　　D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下，D类功放的效率为，B类功放的效率为78.5%，A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。
　　D类功放实际上只具有开关功能，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。然而，开关功能（也就是产生数字信号的功能）随着数字音频技术研究的不断深入，用与Hi-Fi音频放大的道路却日益畅通。20世纪60年代，设计人员开始研究D类功放用于音频的放大技术，70年代Bose公司就开始生产D类汽车功放。一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效率，另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功放，两者都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。其中关键的一步就是对音频信号的调制。
　　图1是D类功放的基本结构，可分为三个部分：

图１　D类功放基本结构

第一部分为调制器， 简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。若音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1：1的方波。当有音频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1：1；负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于1：1。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为PWM（Pulse Width Modulation脉宽调制）或PDM（Pulse Duration Modulation脉冲持续时间调制）波形。音频信息被调制到脉冲波形中。{{分页}}
　　第二部分就是D类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。能够输出的 大功率有负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。
　　第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单，只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1：1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被恢复出来，见图2。

图２　模拟D类功放工作原理

　　D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。此时功放管的线性已没有太大意义，更重要的开关响应和饱和压降。由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好。另外，整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗。所以，饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能得到简化。若干年前，这种高频大功率管的价格昂贵，在一定程度上限制了D类功放的发展。现在小电流控制大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域，特别是近年来UHC MOSFET已在Hi-Fi功放上应用，器件的障碍已经消除。
　　调制电路也是D类功放的一个特殊环节。要把20KHz以下的音频调制成PWM信号，三角波的频率至少要达到200KHz。频率过低达到同样要求的THD标准，对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂。频率高，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，THD小，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器，造价相应降低。但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件中的高频损耗、谢频的取肤效应都会使整机效率下降。更高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHz。
　　同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。所以要实现高保真，出现了很多与数字音响保真相同的考虑。
　　还有一个与音质有很大关系的因数就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器。该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱。严格地讲，设计时应把音箱阻抗的变化一起考虑进去，但作为一个功放产品指定音箱是行不通的，所以D类功放与音箱的搭配中更有发烧友驰骋的天地。实际证明，当失真要求在0.5%以下时，用二阶Butterworth 平坦响应低通滤波器就能达到要求。如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑。
　　近年来，一般应用的D类功放已有集成电路芯片，用户只需按要求设计低通滤波器即可。

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