论文总字数：15314字

摘 要

音频功率放大器是手机、电脑、播放器等电子产品中的重要组成部分，传统上应用较广的有A类，B类,AB类三种，应用最广的为AB类放大器，但由于必须工作在线性放大区对模拟信号进行直接放大，效率低，功耗大成为AB类放大器的一大缺点。因此，工作方式区别于三者、兼有效率和功率的D类音频功率放大器渐渐成为市场的重要部分。

本文简述了各类音频功率放大器的工作原理，分析比较了它们的性能和优缺点，并对D类功放进行了详细阐述，从而设计制作一种简单的D类音频功率放大器，结合各个模块更具体的对D类音频功率放大器的原理性能和工作特点进行探讨。

本文使用Multisim对各个电路模块进行电路图绘制和仿真，包括运算放大器、PWM调制电路、三角波发生器、输出驱动等模块。在计划的设计目标下，进行参数优化和整体仿真，通过测量计算，系统功耗、功率等性能指标符合设计要求，整体性能良好。

关键词：音频功率放大器;D类功放；PWM调制;效率

Abstract

Audio power amplifier is an important part of mobile phones, computers, players and other electronic products. Traditionally, the most widely used Class A, class B and Class AB are the Class AB amplifiers, however, because of the direct amplification of analog signals in the linear amplifier, the efficiency is low and the power consumption is high, which is a disadvantage of Class AB amplifier.As a result, the D class audio power amplifier, which works differently from the others and has both efficiency and power, is becoming an important part of the market.

In this paper, the working principle of each kind of audio power amplifier is briefly described, their performance, advantages and disadvantages are analyzed and compared, and the Class D power amplifier is described in detail, thus a simple Class D audio power amplifier is designed and made, in combination with each module, the principle, performance and working characteristics of the Class D audio power amplifier are discussed more specifically.

This article uses Multisim to carry on the circuit diagram drawing and the simulation to each circuit module, including the operational amplifier, the PWM modulation circuit, the triangle wave generator, the output drive and so on module. Under the design target of the plan, the parameter optimization and the whole simulation are carried out. Through the measurement and calculation, the system power consumption, power and other performance indexes meet the design requirements, and the overall performance is good.

Key Words： Audio power amplifier；Class D amplifier；PWM modulation；Efficiency

目录

第1章 绪论 1

1.1. 课题研究背景与现状 1

1.1.1. 功率放大器概述 1

1.1.2. D类音频功率放大器研究现状 1

1.2. 课题任务要求与本文内容安排 2

1.3. 章节小结 2

第2章 工作原理 3

2.1. 传统功率放大器 3

2.1.1. A类放大器 3

2.1.2. B类放大器 4

2.1.3. AB类放大器 5

2.2. D类音频功率放大器基本原理 6

2.3. 整体电路结构 6

2.4. 章节小结 7

第3章 模块设计 8

3.1. 前置放大电路 8

3.2. 三角波发生器 9

3.3. pwm波形产生电路 10

3.4. 输出驱动电路 11

3. 5.输出滤波电路 13

3.6.章节小结 14

第4章 电路仿真 15

4.1. 电路仿真结果 15

4.2. 章节小结 16

第5章 总结与展望 17

参考文献 18

致谢 19

绪论

课题研究背景与现状

功率放大器概述

音频功率放大器是DVD、MP3播放器、计算机等多媒体电子产品中应用最广泛的部件之一。传统的音频放大器主要包括A、B、AB类放大器。保真度好的A类功放效率一般低于50%，效率更高的B类功放效率能达到78.5%^[1]。但也有严重失真的问题，AB类功放集A、B类优点，兼顾保真和效率，但依然无法克服功耗大的问题，必须配合散热器使用，体积过大。由于AB类功放的这两大缺点，在强调便携和长待机的便携式电子产品大量普及的今天，它不再适用。于是一种区别于传统模拟放大器的D类音频功率放大器越来越受到重视。

D类功放的放大模式中放大元件处于开关状态,无信号输入时放大器处于截止状态，因此不消耗电能；信号输入时，放大器晶体管进入饱和状态充当一个接通的开关连接电源与负载。在理想状态下，没有饱和压降晶体管不耗电；实际情况下，晶体管产生的极小的一部分饱和压降会消耗一部分电能。^[1]但这部分能耗不会随输出信号变化，因此及时超大功率的情景下，功耗也不会增加。因此，理论上能达到100%效率的D类功放与AB类功放相比，更加节能，具有更高的电源使用率，在同一输出功率下，D类功放温度将远小于模拟类功放，所以可以不使用散热器或使用极小的散热器，极大的减小产品体积，更能适应便携式电子产品的市场需求。

在手机市场的带动之下，功放的功效、噪声失真、体积要求更加严格，所以D类功率放大器应用越来越广泛，各大集成电路厂商都在该领域投入了很多，D类功放发展越来越迅速。当然，在体积和电源要求不大的其他传统音频电子领域，AB类功放的高保真性能依然占据着很大市场。不过，在AB类产品主导的汽车音频领域，迫于用电和体积的变革和要求，也逐渐被D类功放所替代。相信随着技术的升级和进步，D类功放将会在更多的领域发挥作用。

D类音频功率放大器研究现状

从数字功放芯片市场来看，目前国内外专用芯片制造商并不多，技术水平也参差不齐，与国外生产技术水平存在差距。

国产D类功放芯片起步较晚，发展也较为缓慢，目前和国际顶级的功放IC品牌如飞利浦、NS都还有很大差距。上海贝岭、芯力微等，都是我国市场上D类功放集成芯片技术实力很强的厂商。如GS4943这款芯片，能够以高于85%的效率提供3W功率，同时具有系统关断及静音控制功能，在LCD电视、电脑等便携式电子产品中应用广泛。^[2]

越来越多的公司开始向数字音频芯片方向加大投入。种种迹象表明、国内数字音频芯片开发领域将有所突破。

课题任务要求与本文内容安排

本课题的主要任务是设计一种小功率的D类音频功率放大器，要求基于PWM波形调制技术，实现对音频信号的调制和解调，输出放大后的音频信号。要求掌握D类音频功率放大器的性能和原理，能够进行简单的D类功放系统设计，完成主要模块的设计和电路绘制，并通过仿真确定各项参数。并通过完成的D类音频功率放大器仿真模型，完成有关系统性能参数的实验，根据实验结果尝试优化模型和参数，并最终得出结论，完成完整的系统设计和说明。

本文第一章先宏观上介绍了功率放大器的基本情况和研究现状；在第二章讨论了几种常见音频功率放大器的基本原理和优缺点，其中重点研究了D类音频功率放大器，详细研究了它的基本原理和基础设计，并在此基础上进行了整体电路框架的初步设计；第三部分对系统的主要电路模块做了详细讨论和设计，绘制了各个模块的电路图，初步确定了元器件参数等指标；本文第四章对各个模块电路和整体电路进行了仿真，进一步优化了参数，并对主要性能指标进行了测量和分析；论文最后是对整个论文及研究设计过程的总结，分析本设计的不足之处，并对可能的改善路径做了分析和展望。

章节小结

本章叙述了音频功率放大器的一些基本现状和研究情况，对四种音频功率放大器做了整体性的描述，但针对D类音频功率放大器现在的一些应用情况和国内、国外的研究进展情况，以及应用情况做了简单的分析说明。简单介绍了本文的任务要求和设计目标，在此基础上，制定并说明了本论文的行文结构和内容构成。

工作原理

传统功率放大器

一般情况下按照功率管工作方式将音频功率放大器分为两类，分别是线性功率放大和非线性功率放大。传统意义上的模拟放大器，就是典型的线性功放，分为三种，分别是A、B、AB三类。本文重点研究的D类音频功率放大器区别于以上三者的模拟放大，是一种非线性的功率管工作在开关态的非线性放大器，与以上三类的低效率相比，有着更高的放大效率，当然也有一些不可避免的缺点，将在下文详细讨论。

A类放大器

A类音频功率放大器的电流在整个周期内都流过晶体管，也就是不论有没有信号，晶体管始终处于导电状态。它的电路比较简单，失真程度最小，但放大的幅度十分有限，同时也是所有类型功放中效率最低的，最高为25%，消耗功率不会随着输入信号的消失而降低。A类音频功率放大器在中国又被我们叫做甲类放大器，通常工作在特性曲线的线性范围内。

如图所示为A类功率放大器的典型电路：

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