D类音频功放电路原理分析

D类音频功放电路原理分析

【摘要】本文从电路的基本理论出发，结合相关电路图及波形对D类音频功放电路的组成、工作原理进行详细的分析和阐述。

【关键词】音频功放;调制器;低通滤波器

D类音频功率放大器与A类、B类功率放大器相比它最大的优点是效率高，功率放大管工作在开关状态，在理想情况下电路的效率可以达到100%。因此，有着广泛的应用。

D类音频功放电路由调制器、开关功率放大器及低通滤波器三部分电路组成，如图1所示，其工作原理是：音频信号经过调制器进行脉宽调制后转换成脉宽调制信号，脉宽调制信号由开关功率放大器进行放大，放大后的脉宽调制信号通过低通滤波器滤波后还原成放大了的音频信号送入扬声器。

图1 D类音频功放电路组成框图

下面结合如图2所示D类音频功率放大电路，对其电路组成及工作原理进行分析。电路中运放A1、A2、A3、A4及外围元件构成调制器，场效应管T1、T2构成开关功率放大器，电感L和电容C5构成低通滤波器。

图2 D类音频功率放大电路

图3 方波与三角波变换波形图

一、调制器

调制器由三角波发生器、音频前置放大器、电压比较器三部分电路组成。调制器的作用是将音频信号对三角波信号进行脉宽调制，产生脉宽调制信号。其电路工作原理如下：

1.三角波发生器

三角波发生器由滞回电压比较器A1、积分电路A2组成，其中滞回电压比较器产生方波，方波通过积分电路转换成三角波。

滞回电压比较器由运放NE5532的A1，正反馈电路R1、R2，限幅电路R3、DZ构成，该电路产生幅值为±UZ=±6V的方波。

积分电路由运放A2、电阻R4和电容C1组成，积分电路将方波转换成三角波输出。

其三角波的频率：

周期：

三角波幅值：

波形如图3所示。

2.音频前置放大器

音频前置放大器的作用对音频信号进行放大，它由运放A3及外围电路组成，其中R5用来调整输入音频信号的幅值，C2隔直流通音频信号作用，A3与R7、R8、C3构成同相交流放大电路，其电压放大倍数为：

电路中C4起高频消噪作用，防止放大器高频自激，音频信号由运放A3的3脚输入，1脚输出。

3.电压比较器

电压比较器是调制器的核心，它由运放A4构成，它的作用是将音频前置放大器输出的音频信号对三角波发生器送来的三角波进行调制，产生脉宽调制（PWM）信号输出。其工作原理如下：

电压比较器A4反相端输入的三角波为un，同相端输入的音频信号为up。当up>un时，电压比较器输出高电平，当uPp＜un时，电压比较器输出低电平。

当音频信号输入为零时（up=0），三角波电平低于音频信号持续的时间与高于音频信号持续的时间相同，因此，电压比较器输出高低电平持续的时间也相同，所以此时电压比较器输出为占空比等于1/2的方波;当输入音频信号为正半周时，三角波电平低于音频信号电平持续的时间比较长，三角波电平高于音频信号电平持续的时间比较短，因此，电压比较器输出高电平持续的时间比低电平持续的时间长，所以此时电压比较器输出矩形波的占空比大于1/2;当输入音频信号为负半周时，三角波电平低于音频信号电平持续的时间比较短，三角波电平高于音频信号电平持续的时间比较长，因此，电压比较器输出高电平持续的时间比低电平持续的时间短，所以此时电压比较器输出矩形波的占空比小于1/2。即电压比较器输出矩形波的脉冲宽度被音频信号的幅度所调制，产生脉宽调制信号。波形如图4所示。

二、开关功率放大器

开关功率放大器由场效应管T1、T2组成，电路的作用是对PWM信号进行幅度放大。电路的工作原理是：当调制器由运放A4输出的PWM信号为正半周时，T1夹断、T2导通，输出幅度放大的PWM信号负半周;当调制器由运放A4输出的PWM信号为负半周时，T1导通、T2夹断，输出放大幅度的PWM信号

正半周。功率放大场效应管T1、T2工作在开关状态，在理想情况下消耗的功率为零，所以该电路在理想情况下效率为100%。

三、低通滤波器

低通滤波器由电感L和电容C5组成，其作用是将放大后的PWM信号中的音频信号解调出来。工作原理是：

在低通滤波器中电路的放电时间常数：与PWM信号周期接近，能够较好的把PWM信号中的音频信号解调出来，其波形如图5所示。解调后的音频信号送入扬声器发声。

本文只是从D类音频功放原理方面加以论述，目前D类音频功放较多采用集成电路，如HIP7080A、DDX2060等。

参考文献

[1]谢继宽.简单的开关型功率放大器[N].电子报合订本，1999.

[2]杨立，新孙鹏.125WD类超低音功率放大器[N].电子报合订本，2000.

本文属2013年黑龙江省大学生创新创业训练项目（编号：201313744005）。