分析比較D類功放的特點(diǎn)與電路組成

摘要：高效率音頻功率放大器是近年來剛發(fā)展起來的一種音頻放大器，通常叫做D類功率放大器。它的工作電壓在12.5～30V，工作效率在理想狀態(tài)下為100%，它具有功率大、效率高、失真小的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：功率放大器 效率 PWM調(diào)制器 交越失真 低通濾波器 脈沖

在高保真音響設(shè)備中，功率放大器用來對(duì)各種音源輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行加工處理和不失真的放大，使之達(dá)到一定的功率去推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。其中，如何對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，使之達(dá)到功率大、效率高、失真小，是功率放大器所要解決的最主要問題。

一、D類功放的發(fā)展背景

隨著數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，家庭影音系統(tǒng)工程日趨成熟與完美，越來越多的電子愛好者期望能自己制作出體現(xiàn)自己意愿特殊的家庭影院系統(tǒng)。最高效的功放，它正慢慢改變我們的生活，使我們的生活變得更美好。D類功率放大器就是PWM型功率放大器。

二、D類功放的特點(diǎn)與電路組成

1.功放的分類

傳統(tǒng)的功率放大器主要有A類（甲類）、B類(乙類)、AB類（甲乙類），除此之外，還有工作在開關(guān)狀態(tài)下的D類（丁類）功放。

2.D類功放的組成與原理

D類功放的電路組成可以分為三個(gè)部分：PWM調(diào)制器、脈沖控制的大電流開關(guān)放大器、低通濾波器。電路結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

其中第一部分為PWM調(diào)制器。最簡(jiǎn)單的只需用一只運(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號(hào)加上一定直流偏置后放在運(yùn)放的正輸入端，另外通過自激振蕩生成一個(gè)三角形波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時(shí)，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號(hào)為零時(shí)，因其直流偏置為三角波峰值的1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時(shí)間一樣，輸出就是一個(gè)占空比為1:1的方波。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí)，正半周期間，比較器輸出高電平的時(shí)間比低電平長(zhǎng)，方波的占空比大于1:1:音頻信號(hào)的負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí)間卻大為減少，方波占空比小于1:1。這樣，比較器輸出的波形就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)幅度調(diào)制后的波形，稱為PWM（Pulse Width Modulation脈寬調(diào)制）或PDM（Pulse Duration Modulation脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)制）波形。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中，脈沖波形的寬度與輸入的音頻信號(hào)的幅度成正比。

第二部分為脈沖控制的大電流開關(guān)放大器。它的作用是把比較器輸出的PWM信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率PWM信號(hào)。能夠輸出的最大功率由負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。

第三部分為由LC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的低通濾波器。其作用是將大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。利用一個(gè)低通濾波器，可以濾除PWM信號(hào)中的交流成分，取出PWM信號(hào)中的平均值，該平均值即為音頻信號(hào)。但由于此時(shí)電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1:1的脈沖到來時(shí)，C的充電時(shí)間大于放電時(shí)間，輸出電平上升；窄脈沖到來時(shí)，放電時(shí)間長(zhǎng)，輸出電平下降，正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相一致，所以原音頻信號(hào)被恢復(fù)出來。D類功放的工作原理見圖2。

數(shù)字音頻信號(hào)輸入后，經(jīng)數(shù)字內(nèi)插濾波器和等比特調(diào)制器后，即可得到脈沖寬度與數(shù)字音頻的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)成正比的PWM信號(hào)。其中數(shù)字內(nèi)插濾波器是在數(shù)字音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)之間再插入一些相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，以內(nèi)插方式提高數(shù)字音頻信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)（采樣頻率），等比特調(diào)制器是將數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)大小轉(zhuǎn)換為脈沖的寬度，使輸出信號(hào)的脈沖寬度與輸入數(shù)據(jù)的大小成正比。

三、D類功放的特點(diǎn)

1.效率高

在理想情況下，D類功放的效率為100%（實(shí)際效率可達(dá)90%左右）。B類功放的效率為78.5%（實(shí)際效率約50%），A類功放的效率才50%或25%（按負(fù)載方式而定）。這是因?yàn)镈類功放的放大元件是處于開關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無信號(hào)輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想晶體管因?yàn)闆]有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會(huì)有很小的飽和壓降而消耗部分電能。

2.功率大

在D類功放中，功率管的耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號(hào)輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場(chǎng)合，輸出功率可達(dá)數(shù)百瓦。

3.失真低

D類功放因工作在開關(guān)狀態(tài)，因而功放管的線性已沒有太大意義。在D類功放中，沒有B類功放的交越失真，也不存在功率管放大區(qū)的線性問題，更無需電路的負(fù)反饋來改善線性，也不需要電路工作點(diǎn)的調(diào)試。

4.體積小，重量輕

D類功放的管耗很小，小功率時(shí)的功放管無需加裝體積龐大的散熱片，大功率時(shí)所用的散熱片也要比一般功放小得多。而且一般的D類功放現(xiàn)在都有多種專用的IC芯片，使得整個(gè)D類功放電路的結(jié)構(gòu)很緊湊，外接元器件很少，成本也不高。

幾十年來，在音頻領(lǐng)域中，A類，B類，AB類音頻功率放大器一直占據(jù)統(tǒng)治地位。D類功率放大器就是PWM型功率放大器。近幾年來，國際上對(duì)D類功放的研究與開發(fā)已經(jīng)有了的發(fā)展。這一技術(shù)顯示了它高效、節(jié)能、環(huán)保、數(shù)字化的特點(diǎn)。現(xiàn)在這一技術(shù)正在迅猛發(fā)展，前景一片光明。

參考文獻(xiàn)：

［1］童建華.音響設(shè)備技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社.2010.

［2］鄒天漢.數(shù)字功放和音箱設(shè)計(jì)與制作.北京：人民郵電出版社.2004.

（作者單位：包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院）