D类音频功率放大器的设计
第二章 功率放大器的简介
2.1 放大器的性能指标
1、增益又称放大倍数，衡量放大电路放大电信号的能力。最常用的电压增益：
Av?VoVi
（2-1）
2、输入电阻
Ri，从放大电路输入端看进去的等效电阻。输入电压反映了放大电路
从信号源汲取电压的能力。输入电阻等于输入电压与输入电流之比：
Ri?ViIi （2-2）
3、输出电阻Ro，放大电路负载开路时从输出端看进去的等效电阻。输出电阻反映了放大电路带负载能力，Ro越小，则放大电路带负载能力越强，电路输出越接近恒压源的输出。
4、额定功率，音响放大器输出失真度小于某一数值（?＜1%）的最大功率成为额定功率：
U02P0?RL （2-3）
U0为负载两端的最大不失真电压，RL为额定负载阻抗。
5、频率响应，放大器的电压增益相对于中音频fo（1KHz）的电压增益下降3dB时所对应的低音音频fL和高音音频fH称为放大器的频率响应。
测量条件如下：调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的50%，输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率从20Hz—20KHz（保持Ui=20mV不变）测量负载电阻上对应的输出电压U0。
6、噪声电压，使输入为零时，输出负载RL上的电压称为噪声电压。
测量：使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载RL的电压波形，用交流电压表测量其有效值。
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2.2 功率放大器的种类
2.2.1 A类功率放大器原理
A类放大器(又称甲类放大器)的特点是不论是否输入信号，其输出电路恒有电流流通，而且这种放大器通常是在特性曲线的线性范围内操作，如图2-1所示，以求放大后的信号不失真。所以它的优点，是失真度小，信号越小传真度越高，最大的缺点是“功率效益”（Power Efficiency）低，最大只有25%，不输入信号时丝毫不降低消耗功率，极不适合做功率放大。但因其高传真度，部分高级音响器材仍采用A类放大器。
图2-1 A类功率放大器的特性曲线
2.2.2 B类功率放大器原理
B类功率放大器（乙类）是工作点在特性线极端处的一种放大器，如图2-2所示。当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。根据定义，这种零偏压的电路就是一种B类放大器。然而，由于它的静态点在（VCC，0）处，因此，对于一个正弦波输入信号，它的输出端波形只剩半个周期是可以预期的。
解决上述问题的方法，是将另一半周期的信号以一PNP型BJT与原射级跟随器相接，形成所谓的“互补式射级跟随器”(Complementary Emitter Follower)，又称为“B类推挽式放大器”（Class B Push-Pull Amplifier），如图2-2所示。其动作原理，在Vi的正半周其间，Q1导通且Q2截止，所以，形成图2-3的输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半周时，Q1截止而Q2导通，结果形成输出端负半周正弦波，如图2-3虚线部分所示。
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图2-2 B类功率放大器电路图
图2-3 B类功率放大器特性图
2.2.3 AB类功率放大器原理
在上文中提到的B类放大器会产生的交越失真，是因为信号幅度在?0.6V之间时Q1与Q2三极管均无法导通所造成的。因此，如果在Q1与Q2之间加两个0.6V的电池，如图2-4所示，当输入信号幅值在±0.6V之间时，Q1、Q2也可以导通，从而达到减小失真的效果。这样就形成了AB类放大器。AB类放大器的信号失真尽管比B类放大器要小，但是以待命功率的浪费及功率效率的损失为代价的。
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图2-4 AB类功率放大器电路图
2.2.4 D类功率放大器原理
通过对以上各类放大器的介绍，可以看出无信号输入时，电路中所形成的直流功耗是放大器效率的基本影响因素。零输入时电流愈大则损耗越大，效率越低。因此，应降低工作点，在无音频信号输入时尽量减少直流损耗，从而提高放大器的效率。但是，在降低工作点的同时，信号导通角也会减小。而导通角越小波形失真越严重，在输出信号中的谐波成分也会增加，往往这两个要求是相互矛盾的。
如果输入边沿很陡峭的波形，在降低工作点的同时导通角只会受到很小的影响，从而达到减小失真而效率又得到提高的效果。当输入的信号为矩形波时（其为波形陡峭的极端状态），不管偏置将如何变化，因信号边沿几乎是垂直的，导通状态都不会发生变化，这就是D类功率放大器工作于脉冲放大状态的基本原因。
D类放大器工作在开关状态，没有音频信号输入时不会产生电流，在导通时，不会产生直流损耗。在实践中，因开关断开时器件仍会有很小的漏电流，而开关导通时器件仍会有一定的压降，并不会完全短路，所以仍会存在部分直流损耗，使得效率不能达到100%，但实际也能达到在80%～90%。此类放大器是目前应用效率最高的放大器。
正是因为D类放大器效率高，损耗只有10%左右，故使用的散热器只需几个平方厘米，使用的电路板也可以做的很小，使体积和重量都大大减小。并且由于其工作的脉冲状态比音频高10余倍，电源整流纹波对电路工作影响会很小。
当D类音频功率放大器输入模拟音频信号时，首先经过PWM调制器，将模拟信号变成高频率PWM脉冲信号，信号的幅度与脉冲信号的脉宽相对应。再经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，最后经过低通滤波器带动扬声器发声。
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