1、D 类音频功率放大器的设计类音频功率放大器的设计 摘要摘要 数字功率放大器代表着音响技术数字化的新台阶具有模拟功率放大器不可 比拟的优势，本系统以高效率 D 类功率放大器为核心，输出开关管采用高速 VMOSFET 管，连接成互补对称 H 桥式结构，最大不失真输出功率大于 1W，平均效 率可达到 70左右。D 类放大器包括脉宽调制器和输出级。 本文首先介绍了声音的基本特性、音响放大器的技术指标、放大器分类和 D 类放大器的工作原理，接着进行了 D 类功放的仿真分析，包括 PWM 波的形成、频 谱分析等等；然后设计了基于 MAXIM 公司的 10W 立体声/15W 单声道集成芯片 MAX9703/
2、MAX9704 的 D 类放大器，并对 D 类功放的发展与技术展望进行了描述。 在本文里，对放大器的各个模块包括放大电路、比较器电路、三角波产生电 路、驱动电路等进行了设计和仿真，且达到了预先设定的指标。 关键词: D 类放大器 脉宽调制 高速开关电路 低通滤波 2 目录目录 1 引 言 4 2 音响的基础知识 4 2.1 声音的基本特性 6 2.2 音响的结构及参数 6 2.3 放大器的技术指标 6 3 放大器的简介 7 4 D 类功放的原理及仿真 9 4.1 D 类功放的工作原理 9 4.2 D 类功放的 EDA 仿真 . 11 4.2.1 EDA 仿真概述 . 11 4.2.2 D 放大
3、器原理仿真概述 . 12 4.2.3 输入信号抽样PWM 波的形成仿真 . 13 4.2.4 输出信号 PWM 波的频谱仿真分析. 13 4.3 D 类功放的优点 . 14 5 D 类功放的硬件设计 . 15 5.1 D 类功放的设计原理 . 15 5.2 D 类功放电路分析与计算 . 18 5.2.1 脉宽调制器（PWM） 18 5.2.2 前置放大器. 20 5.2.3 驱动电路. 21 5.2.4 高速开关电路 21 5.2.5 低通滤波. 26 6 MAX9703/MAX9704 单声道/立体声 D 类音频功率放大器 30 6.1 概述. 30 6.2 MAX9703/MAX9704
4、详细说明 . 30 6.2.1 工作效率. 30 6.2.2 应用信息. 31 7 D 类功放的发展与技术展望 . 33 7.1 D 类功放的不足 . 33 7.2 D 类功放的最新发展T 类功率放大器 33 结论. 34 致谢. 35 参考文献. 36 3 1 1 引引 言言 当今音响数字化技术以大部分应用在音响设备中。如作为音源的 CD、DAT、 MD、DVD 等，数字调音台以及数字效果器、压限器、激励器等周边设备也被一些 专业场所使用。 而音响系统最后环节的功率放大器和扬声器却仍然徘徊在数字化 的大门外。人们永无止境的追求音响重放高保真度，而模拟功率放大器经过了几 十年发展以很难有新的突
5、破，随着生活水平的提高，人们逐渐关注环保与能量的 利用率的问题，因此，人们再一次把目光投向数字功放。 早在 20 世纪 60 年代末期其实就有人研究数字放大器， 为什么音响发展了数 十年，一直没有其产品面世？究其原因，是在数字音频放大器的设计与制作过程 中，最大的难题就是高速转换控制系统。因为其需要极高的精确度，但在如何解 决脉冲调制放大在工作时提供持续稳定的线性响应， 以及如何避免产生辐射脉冲 干扰等方面难以取得突破，故使脉冲调制型放大器在音响应用领域一直停滞不 前。如今，随着脉冲调制放大电路的技术瓶颈被逐渐解决，数字放大器的优点日 渐突显，推陈出新，人们越来越关注它了。 对功率放大器的普遍
6、要求是低失真，大功率，高效率。模拟功率放大器通过 采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但大功率和高效 率难以解决。但工作在开关状态下的 D 类功率放大器却很容易实现。 传统的音频功放工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线 性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但 面对较大功率，对功率器件构成极大威胁。功率输出受到限制。此外，模拟功率 放大器还存在以下的缺点: 1.电路复杂，成本高。常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等 保护电路，体积较大，电路复杂。 2.效率低，输出功率不是很大。 D类开关音频功率放大器的工作基于PWM模式:将音频信号与采样频率比较， 经自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的 PWM 波，然后经过驱 4 动电路，加到功率 MOS 的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的 PWM 送入滤波器，则还原为音频信号。 D 类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达 100%，实际的运用也可达 80%以上。功率器件
