数字D类功放深入分析

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1、D类功放电路介绍传统的音频功率放大器有a类、ab类、b类、c类等几种，其功率放大器件（电子管、晶体管、场效应管、集成电路等）均工作于线性放大区域，属线性放大器，其效率普遍不高，通常ab类放大器的效率不会超过60%。采用d类开关放大电路可明显提高功放的效率。d类功放将音频信号转变为宽度随信号幅度变化的高频脉冲，控制功率管以相应的频率饱和导通或截止，功率管输出的信号经低通滤波器驱动扬声器发声。因功率管大部分时间处于饱和导通和截止状态，功率损耗很小，其效率可达90%以上。典型的d类功放可提供200w输出，效率达94%，谐波失真在1%

2、~2.8%。d类功放保真度不如线性放大器，但在很多场合已能满足要求，例如汽车音响系统只要求低功率输出时失真小于2%，满功率输出时小于5%，而且经过改进d类功放的性能还将有所提高。另外，d类功放不存在交越失真。d类开关放大器的概念源于50年前，但因其工作频率至少应为音频信号上限频率（20khz）的4~5倍，早期采用电子管、晶体管的电路在功率、效率等方面还不能充分体现其优越性。20世纪80年代出现了开关速度和导通损耗满足要求的mosfet，近年来又出现了集成前置驱动电路，如harris公司的hip4080，从而推动了d类功放的实用

3、发展。d类功放所用的mosfet为n沟道型，因为n型沟道mosfet的导通损耗仅为相应规格的p沟道mosfet的1/3。d类开关放大器由积分器、占空比调制器、开关驱动电路及输出滤波器组成，图1(a)所示的电路为采用半桥驱动的d类功放，它采用了固定频率的占空比调制器，功率管输出的方波信号与音频信号混合作为负反馈信号送入积分器。积分器兼有滤波作用，输出修正信号送占空比调制器，占空比调制器由比较器和三角波发生器组成[图1(b)]，用修正信号对三角波进行调制产生调制输出，推动功率管工作。负反馈应取自低通滤波器之前，否则因滤波后的信号与

4、输入的信号有相位差（二阶滤波器可能引起180°的相位差），可能引起电路自激，需采用复杂的相位补偿电路。驱动功率管的调制信号为占空比随音频输入信号变化的方波，半桥驱动电路以相反的相位驱动两个功率管，一个导通时另一个截止。采用方波驱动是为了使mosfet尽可能地改变工作状态，减少其处于线性放大区的时间，从而减少热损耗，提高效率。该电路的效率主要取决于功率管的开关损耗和导通损耗。输出滤波器将方波转变为放大的音频信号，推动扬声器发声。图2为全桥驱动d类功放的原理简图。全桥驱动电路中负载上的电压峰峰值两倍于电源电压，因而可用单电源代替半

5、桥驱动电路中的双电源供电。全桥驱动与半桥驱动电路工作原理相似，但采用了四个mosfet。反馈网络中的滤波电路也有所不同，该电路中负载采用浮动接法，需要两个低通滤波器来消除载波。四个功率管两两成对工作，为防止短路，驱动电路在关断一对功率管后过一段时间才开启另一对功率管。全桥中的功率管只需承受半桥中一半的电压，其导通损耗比半桥电路要小，这是因为mosfet导通时的漏源电阻rds(on)与漏源电压bvdss不成线性关系，串联的两个mosfet总的rds(on)比bvdss增加一倍时单管的rds(on)小。图２全桥驱动d类功放电路简图

6、功率管的选择需要考虑以下几点：峰值工作电压、工作电流、开关速度、开关损耗、导通损耗。峰值工作电压和电流决定了mosfet的规格，开关损耗、导通损耗及输出滤波损耗决定了输出级的效率。计算公式如下vp=(2·p0·zl)1/2ip=vp/zl例如，要在8ω负载上获得100w输出，vp为40v，ip为5a，考虑到工作电压应留25%的裕量，相应的mosfet规格为50v/5a。选择内部包含一个具有较短反向恢复时间的二极管的mosfet可减小开关损耗，目前较快的反向恢复时间约100ns。较低的工作频率、较小的栅—源电容及较高驱动能力的驱

7、动电路都有助于减小开关损耗。工作频率过低会使输出滤波器的设计变得困难，过高又会导致开关损耗增加并产生射频干扰及电磁干扰，因此选择工作频率时需要综合考虑。解决了开关损耗问题之后，d类开关放大器的效率主要取决于功率管的导通损耗，换言之，选用rds(on)较小的mosfet可提高放大器的效率。例如，mosfet的rds(on)为200mω，放大器效率比理想状态下降5%，公式如下δη=2xrds(on)/zl=0.4/8=0.05式中因子2对应于全桥驱动电路。同样，当rds(on)为80mω时，效率损失只有2%，也就是说效率取决于器件

8、的制造工艺。图3所示为图2中反馈网络的电路，功率管输出信号经ic1c处理成为反馈信号，其幅值约为输出信号的1/11。音频输入信号经缓冲放大器ic1b放大，与反馈信号一同送至积分器ic1a，经处理产生修正信号送图3中驱动ic的比较器反相输入端，从而产生调制输出。图3中还有另一路