分析比較D類功放的特點與電路組成

摘要：高效率音頻功率放大器是近年來剛發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下為100%，它具有功率大、效率高、失真小的特點。

關鍵詞：功率放大器 效率 PWM調制器 交越失真 低通濾波器 脈沖

在高保真音響設備中，功率放大器用來對各種音源輸出的音頻信號進行加工處理和不失真的放大，使之達到一定的功率去推動揚聲器發聲。其中，如何對音頻信號進行功率放大，使之達到功率大、效率高、失真小，是功率放大器所要解決的最主要問題。

一、D類功放的發展背景

隨著數字電路和計算機技術的不斷發展，家庭影音系統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自己意愿特殊的家庭影院系統。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類功放的特點與電路組成

1.功放的分類

傳統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，還有工作在開關狀態下的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部分：PWM調制器、脈沖控制的大電流開關放大器、低通濾波器。電路結構組成如圖1所示。

其中第一部分為PWM調制器。最簡單的只需用一只運放構成比較器即可完成。把原始音頻信號加上一定直流偏置后放在運放的正輸入端，另外通過自激振蕩生成一個三角形波加到運放的負輸入端。當正端上的電位高于負端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零時，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的時間一樣，輸出就是一個占空比為1:1的方波。當有音頻信號輸入時，正半周期間，比較器輸出高電平的時間比低電平長，方波的占空比大于1:1:音頻信號的負半周期間，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，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少，方波占空比小于1:1。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調制后的波形，稱為PWM（Pulse Width Modulation脈寬調制）或PDM（Pulse Duration Modulation脈沖持續時間調制）波形。音頻信息被調制到脈沖波形中，脈沖波形的寬度與輸入的音頻信號的幅度成正比。

第二部分為脈沖控制的大電流開關放大器。它的作用是把比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號。能夠輸出的最大功率由負載、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網絡構成的低通濾波器。其作用是將大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。利用一個低通濾波器，可以濾除PWM信號中的交流成分，取出PWM信號中的平均值，該平均值即為音頻信號。但由于此時電流很大，RC結構的低通濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。當占空比大于1:1的脈沖到來時，C的充電時間大于放電時間，輸出電平上升；窄脈沖到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相一致，所以原音頻信號被恢復出來。D類功放的工作原理見圖2。

數字音頻信號輸入后，經數字內插濾波器和等比特調制器后，即可得到脈沖寬度與數字音頻的采樣點數據成正比的PWM信號。其中數字內插濾波器是在數字音頻信號的數據之間再插入一些相關聯的數據，以內插方式提高數字音頻信號的采樣點數（采樣頻率），等比特調制器是將數字信號的數據大小轉換為脈沖的寬度，使輸出信號的脈沖寬度與輸入數據的大小成正比。

三、D類功放的特點

1.效率高

在理想情況下，D類功放的效率為100%（實際效率可達90%左右）。B類功放的效率為78.5%（實際效率約50%），A類功放的效率才50%或25%（按負載方式而定）。這是因為D類功放的放大元件是處于開關工作狀態的一種放大模式。無信號輸入時放大器處于截止狀態，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進入飽和狀態，晶體管相當于一個接通的開關，把電源與負載直接接通。理想晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上晶體管總會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，而與信號輸出的大小無關，所以特別有利于超大功率的場合，輸出功率可達數百瓦。

3.失真低

D類功放因工作在開關狀態，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的線性問題，更無需電路的負反饋來改善線性，也不需要電路工作點的調試。

4.體積小，重量輕

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

幾十年來，在音頻領域中，A類，B類，AB類音頻功率放大器一直占據統治地位。D類功率放大器就是PWM型功率放大器。近幾年來，國際上對D類功放的研究與開發已經有了的發展。這一技術顯示了它高效、節能、環保、數字化的特點。現在這一技術正在迅猛發展，前景一片光明。

參考文獻：

［1］童建華.音響設備技術.北京：電子工業出版社.2010.

［2］鄒天漢.數字功放和音箱設計與制作.北京：人民郵電出版社.2004.

（作者單位：包頭鐵道職業技術學院）