1、毕业论文文献综述 电子信息工程 D 类功率放大器综述 摘要： D 类音频功率放大器具有高效率，低失真等优点。高效率会带来很多的好处，例如延长电池使用时间，发热低，这些优点使其多媒体设备上具有广阔的发展前景。在便携设备中具有 广泛应用 。例如迷你音响和 移动电话中的 EMT7026。 关键词： D 类音频功率放大器，效率，应用，便携设备 1. D 类音频功率放大器概述 功率放大器通常按照其工作状态分为五类，即 A 类、 B 类、 AB 类、 C 类和 D 类 1。 B 类和 AB类推挽放大器比 A 类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但 B 类放 大器在晶体管导通与截止状态的转
2、换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D 类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。外围元器件少优点。 AB 类放大器和 D 类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。 D类放大器是一种将输入模拟音频信号或 PCM数字信息变换成 PWM(脉冲宽度调制 )或 PDM(脉冲密度调制 )的脉冲信号 ， 然后用 PWM 或 PDM 的脉冲信号去控制大功率开关器件通 /断音频功率放大器，也称为开关放大器 2。 D 类放大器 的基本构成如图 1。 图 1 D 类放大器的组成框图 D 类放大或数字式放大 器利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的，所以 D 类放大器 具有效率高
3、的突出优点 。 2. D 类功率放大器的主要性能指标 2.1 效率 和通常的 AB 类放大器相比， D 类放大器有很高的效率。而且， D 类放大器可以在很小的输出功率时就可以达到很高的效率。 D 类放大器之所以能够有很高的效率是因为它的输出级完全工作于开关状态 3。对于理想的开关，关断时电阻无穷大，导通时则电阻为零，在此情况下 D 类功放的效率是可以达到 100%的。但是由于晶体管并不是一个理想的开关，在截止的时候电阻并不是无穷大，而在导通的时候，其电阻也不等于零 。不过由于扬声器的负载很低，且晶体管在截止时漏电流很小，所以在截止时晶体管的损耗可以忽略不计。从而只要考虑晶体管导通时的损耗即可。
4、此时 D 类放大器的效率实际上是由晶体管导通时的两端的电压降和扬声器两端的电压降决定的。因此，晶体管的导通电阻对于 D 类放大器的效率起着重要的作用。这是影响 D 类功放效率的最主要的因素。除了晶体管的导通电阻外，还有偏置电流，电路翻转都会消耗功率。电路翻转所带来的开关损耗由开关频率决定。 2.2 谐波失真 THD THD 是英文 Total Hormonic Distortion 的缩写，译成中文是 “总谐波失真”。它是音频功率放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定输出功率的一个条件。理想的音频功率放大器，若不考虑该功率放大器的增益大小，输入一定频率的正弦波信号，其输出也应该是没
5、有失真、没有噪声的正弦波信号 3。但真实的音频功率放大器的输出音频信号总会有一点失真，并且叠加了噪声。理想的音频功率放大器没有谐波失真及噪声，所以 THD=0%。实际的音频功率放大器有各种谐波造成的失真及由器件内或外部造成的噪声，它有一定的 THD+N 的值 12。这个值一般在 0.001%-10%之间。 THD+N 表示失 真 +噪声，因此 THD+N 越小越好。通常，输出功率越大，失真也增大 13。放大器的失真主要有三种：线性失真，非线性失真和噪声。线性失真不会产生高次谐波，而只是改变信号中各个分量的相对大小和时间关系。它对于人耳的影响不大。而非线性失真则会产生信号中没有包含的频率分量，因
6、而对人耳感觉的影响比较大 3。噪声更是会对人耳产生不舒服的感觉。在 D 类放大器中，最重要的失真是非线性失真。 2.3 频率响应 频率响应是反映功率放大器对不同信号频率放大能力的物理量，是量度一台放大器在给定的频带内，对于不同频率信号增益 (放大倍数 )的大小，以放大器的增益和信号频率之间的关系描述，也反映了放大器频率失真的大小 4。功率放大器的频响范围应不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为 20-20kHz11。国际规定一般音频功放的频率范围是 40-16 kHz 1.5dB。而 D 类放大器频率响应曲线好。 3. D 类音频功放在便携设备中的应用
7、 现今，各种便携式的电子产品成为电子设备的一种重要的发展趋势。手机、 MP3, MP4 以及数码相机、便携式 DVD 等。他们虽然在功能及应用场合上有所差异，但至少有两个共同点 :第一，他们都具备音频输出，即使是数码相机，现在也普遍支持音频回放，这样就需要有一个合适的音频放大器；第二，便携式设备很多情况下是靠电池供电，这就要求一个消耗尽可能低的硬件系统 5。而对于音频放大器来说，就需要其能够在保持最低失真情况下得到更高的效率 8。这就导致了 D 类音频功率放大器在便携式设备中的广泛应用。这些放大器可使设计人员节省电池电量，因为 D 类放大器比传统 AB 类 (或线性 )放大器具有更高的效率。
8、3.1 D 类功放在 节能音响 的应用 我国迷你音响的拥有量约为 1000万台，其平均功率输出为 40瓦 2，迷 你音响主要用来播放音乐，所以采用 D 类功放以后，其效率可以提高 6倍。并且 D 类扬声器放大器 ,在小型化、薄型化而又节能的前提下获得前所未有的高音质、高输出的声音，构造出保护自然生态的、对地球友好的机器 10。假设平均每周开机 3小时，每年可以节约 0.55亿度电。我国家庭影院拥有量超过 1000万台。其平均功率输出为 200瓦 2(包括 5.1声道在内的平均值 )，假定每周开机 5小时，那么采用 D 类功放之后，每年可以节省电能 4.586亿千瓦时。当然在音响方面，这还是很不
9、完全的估计 7。我国有极大数量的KTV(卡拉 OK)包房 和电影院，其音响的功率不小于家庭的音响总和。此外还有汽车音响，各种公共场所 (火车站，汽车站，机场等 )的播音，甚至于上 5亿部的手机、上千万台的学习机、上百万台的游戏机、几十万台的对讲机等等，都可以采用 D 类功放。再加上降低各种电子设备和充电设备的待机功耗，节能的前景极其可观。 3.2 D 类音频功放在移动电话中的应用 在今天的移动通信终端设备中，音频品质显得越来越重要，手机也不只局限于单纯的语音通信服务，而具有丰富的多媒体功能。另一方面，短、小、轻、薄的设计理念对电源的设计和音频功率放大器的设计带来了巨大的挑战 5。 D 类功率放
10、大器因为具有转换效率高、失真度低、耗电量小的优点，芯片厂家新推出各种用于手持式移动通信终端的集成电路，这需要采用新的设计思路，来帮助移动电话设计师解决这些问题，并降低成本和简化系统设计。例如以 EastmicroTechnology 公司最新推出的 EMT7026 来研究 D 类音频功放在手机中的应用。 EMT7026 是一款高效率，小电流，低噪声， CSP 封装的单通道的 D 类音频功率放大器，当电源电压是 5V 时，可以输出 2.6W 的功率到 4的桥接式负载上 5。在同条件下，输出级可将 1.2W 的功率传输给的 8 负载，而总谐波失真和噪声小于 1%。桥式结构不需要在输出端使用耦合电容
11、。由于可以不需输出滤波器，极大地节省了便携式产品的成本和空间。高于 90%的效率和极低的关闭电流，也延长了供电电池的使用时间以及大幅度降低了温度。内部的过温和短路保护电路提高了器件的可靠性。加上适当的外围元件对电路进行改进，可以进一步消除静态噪声、 POP 噪声和总谐波失真 (THD Total Harmonic Distortion)，内部电路的组成原理框图如图 2 所示。各部分的功能如下。 图 2 EMT7026 功放原理 4.总结 D 类放大器是 目前音频播放器的非常有前途的发展方向，他更好地适应了便携式电子音频设备对功率放大器的高效率，低失真的的发展要求 9。与其他几类功放相比， D
12、类功放在获得更高的效率可以降低芯片尺寸，所以在便携式音频设备中有着重要的地位。 D 类功放是一项意义深远的创新技术，具有广阔的发展前景，并对消费电子产生巨大的冲击作用， D 类功放在音频和非音频领域都具有广泛的应用前景。 参考文献 1 刘静 .Class D 音频功率放大器设计 D.北京交通大学 ,2008 年 2 龚伟 ,周雒维 .D类音频功率放大器控制方式综述 J.重庆大学学报 (自然科学版 ),2003(02):117-122 3 毛大平 .浅谈功率放大器的基本 技术指标 J.现代电影技术应用技术研究 ,2008(6):44-48 4 朱高峰等著 .D 类音频功率放大器的关键技术 J.声
13、学技术 ,2006.25(5):452-54 5 NicholasHolland.在便携式应用中使用 D 类音频放大器 J.电子与电路 ,2005(12)： 82-84 6 汪东 .高效 D 类音频功率放大器设计 J.电子与封装 ,2006,11,6(11):23-26. 7 周柳奇 .D 类功放在便携式设备中的应用 J. 硅谷 ,2008,(07):20-21 8 曾妍 ,曾宝国 .D类功率放大器的原理及应用 J. 科技资讯 , 2008,(03):11-15 9 何记鑫 .D类放大器 :基本原理及近期发展 J.半导体器件应用 ,2007,(09):10-13 10 土公堂 .D 类音频功率
14、放大器 MAX9700/MAX9712 及其应用 J.新特器件 ,2007,(10):20-24 11 Frank Ellinger.Power AmplifiersM.Radio Frequency Integrated Circuits and Technologies.2nd ed.Berlin , New York :Springer.2008,9:313-358 12 B.E.Attwood, Design Parameters Important for the Optimization of Very-High-Fidelity PWM(class D) Audio AmplifiersJ.Audio. Eng. Soc, vo1.31， No.ll ,1983,5:842-853 13 Jason Cookson,Janelle Tonti.Class D audio power amplifierC.The University of Maine,2002,5:35-55
