D类功率放大器设计与制作

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高效率F类功率放大器设计

作者：王程 于洪喜

来源：《现代电子技术》2014年第09期

摘 要： F类功率放大器是一种高效率的放大器，其理论效率可以达到100%，在无线通信领域中有着广泛的应用和广阔的发展前景。简要阐述了F类放大器的基本理论，并对其效率进行了分析。设计出了带有输入输出谐波控制的高效率F类功率放大器，仿真结果表明在工作频率1 GHz时，输出功率为38 dBm，功率附加效率为74%；输出功率和功率附加效率都优于同条件下的B类功率放大器。

关键词： F类功率放大器； 高效率放大器； 负载牵引法； 无线通信

中图分类号： TN722⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）09⁃0077⁃03

0 引 言

功率放大器作为无线通信系统中重要的前端器件，在移动通信、射频识别、雷达、电子对抗等很多领域都扮演着非常重要的角色。射频功率放大器的损耗、效率、功率等都已经成为影响这些系统性能的关键问题。

随着无线通信系统的迅速发展，对“高效率”的需求日益增加。由于功率放大器的效率将直接影响系统效率，因此，工作效率的提高，已经成为功率放大器研究的一个攻关难题。F类功率放大器是非线性放大器的一种，也称为开关类功率放大器。在F类工作模式分析中，通过谐波阻抗的峰化从而控制漏极的电压和电路的波形，最终得到效率的提高，理论效率可以达到100%。而且由于F类功率放大器的易实现性，其得到了更加广泛的关注[1⁃4]。

1 F类功率放大器的基本理论

线性放大器中，晶体管作为受控源。晶体管的损耗造成了功率放大器主要的功率损耗。而在非线性功率放大器中，晶体管作为一个开关，其工作状态是开或者是关，这样晶体管的电压和电流不存在交叠，晶体管管耗降低从而提高效率。F类功放通过设计谐波网络来实现漏极电压和电流波形的控制，实现对漏极电压电流波形的整形。从而实现漏极电流波形为半正弦波，漏极电压波形为方波。而且在漏极电压和电流之间不存在叠加现象，这样理想的漏极效率可以达到100%。理想的F类功率放大器电压与电流波形如图1所示。

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D类功率放大器的设计

作者：郑友均

来源：《中国新技术新产品》2010年第04期

摘要:本系统以高效率D类功率放大器为核心,输出开关管采用高速VMOSFET管, 连接成互补对称H桥式结构, 最大不失真输出功率大于1W,平均效率可达到70%左右, 兼有输出1:1双变单电路,此外还有输出短路保护及指示、输出音量电平指示等辅助功能, 比较理想地实现了设计指标的要求。

关键词:D类;功率放大器的设计

1

D类功率放大器

摘要：该设计是以FPGA为核心，将输入的正弦信号通过前级放大，由A/D采样转换为数字信号输入FPGA内，再由FPGA通过采样处理、采样输出脉冲实现数字脉宽的调制，输出的PWM波驱动全桥中的大功率MOS场效应管实现功率放大，最后经低通滤波器，重新获得正弦波信号。系统设计是基于FPGA的PWM的D类功率放大，实现全数字控制，效率高，输出功率大，噪声性能好。

关键字：D类功放 脉冲宽度调制 FPGA LPF

Low Frequency Power Amplifier

Abstract: The design is based on FPGA as core, input sinusoidal

signal level before zoom, converted by A/D sampling digital signal input

in FPGA, then processed by FPGA through sampling, sampling the output

pulse of digital pulse-width modulation, PWM waves output driving high

power MOS FET full bridge power amplifier, last through low-pass filter,

regain a sine wave signal. System design is based on PWM for class d power

amplification of FPGA, realization of digital control, high efficiency,

power output, good noise performance.

Keywords: Low Frequency Power Amplifier D class power amplifier

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高效率F类功率放大器设计

作者：王程 于洪喜

来源：《现代电子技术》2014年第09期

摘 要： F类功率放大器是一种高效率的放大器，其理论效率可以达到100%，在无线通信领域中有着广泛的应用和广阔的发展前景。简要阐述了F类放大器的基本理论，并对其效率进行了分析。设计出了带有输入输出谐波控制的高效率F类功率放大器，仿真结果表明在工作频率1 GHz时，输出功率为38 dBm，功率附加效率为74%；输出功率和功率附加效率都优于同条件下的B类功率放大器。

关键词： F类功率放大器； 高效率放大器； 负载牵引法； 无线通信

中图分类号： TN722⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）09⁃0077⁃03

0 引 言

功率放大器作为无线通信系统中重要的前端器件，在移动通信、射频识别、雷达、电子对抗等很多领域都扮演着非常重要的角色。射频功率放大器的损耗、效率、功率等都已经成为影响这些系统性能的关键问题。

随着无线通信系统的迅速发展，对“高效率”的需求日益增加。由于功率放大器的效率将直接影响系统效率，因此，工作效率的提高，已经成为功率放大器研究的一个攻关难题。F类功率放大器是非线性放大器的一种，也称为开关类功率放大器。在F类工作模式分析中，通过谐波阻抗的峰化从而控制漏极的电压和电路的波形，最终得到效率的提高，理论效率可以达到100%。而且由于F类功率放大器的易实现性，其得到了更加广泛的关注[1⁃4]。

1 F类功率放大器的基本理论

线性放大器中，晶体管作为受控源。晶体管的损耗造成了功率放大器主要的功率损耗。而在非线性功率放大器中，晶体管作为一个开关，其工作状态是开或者是关，这样晶体管的电压和电流不存在交叠，晶体管管耗降低从而提高效率。F类功放通过设计谐波网络来实现漏极电压和电流波形的控制，实现对漏极电压电流波形的整形。从而实现漏极电流波形为半正弦波，漏极电压波形为方波。而且在漏极电压和电流之间不存在叠加现象，这样理想的漏极效率可以达到100%。理想的F类功率放大器电压与电流波形如图1所示。

D类功率放大器设计报告

指导老师：王 全 洲

制作者：张 满 归

制作时间：2010-6-20

1 引言

一般认为，功率放大器根据其工作状态可分为5类。即A类、AB类、B类、C类和D类。在音频功放领域中，C类功放是用于发射电路中，不能直接采用模拟信号输入，其余4种均可直接采用模拟音频信号输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。其中D类功放比较特殊，它只有两种状态，即通、断。因此，它不能直接放大模拟音频信号，而需要把模拟信号经“脉宽调制”变换后再放大。外行曾把此种具有“开关”方式的放大，称为“数字放大器”，事实上，这种放大器还不是真正意义的数字放大器，它仅仅使用PWM调制，即用采样器的脉宽来模拟信号幅度。这种放大器没有量化和PCM编码，信号是不可恢复的。传统D类的PWM调制，信号精度完全依赖于脉宽精度，大功率下的脉宽精度远远不能满足要求。因此必须研究真正意义的数字功放，即全（纯）数字功率放大器。

数字功放是新一代高保真的功放系统，它将数字信号进行功率转换后，通过滤波器直接转换为音频信号，没有任何模拟放大的功率转换过程。CD唱机（或DVD机）、DAT（数字录音机）、PCM（脉冲编码调制录音机）都可作为数字音源，用光纤和同轴电缆口直接输出到数字功放。此外，数字功放也具备模拟音频输入接口，可适应现有模拟音源。

国外对数字音频功率放大器领域进行了二三十年的研究。在20世纪60年代中期，日本研制出8bit的数字音频功率放大器；1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构。但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，若要实现16bit、44.1KHz采样的功率放大器。随着数字信号处理(DSP)和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。

D类数字功放简介

D类功放也叫丁类功放，是指功放管处于开关工作状态的功率放大器。早先在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地，认为A类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。但A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。后来效率较高的B类功放得到广泛的应用，然而，虽然效率比A类功放提高很多，但实际效率仍只有50%左右，这在小型便携式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合，仍感效率偏低不能令人满意。所以，如今效率极高的D类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视，并得到广泛的应用。

一、 D类功放的特点与电路组成

1．D类功放的特点

（1）效率高。在理想情况下，D类功放的效率为100%（实际效率可达90%左右）。B类功放的效率为78.5%（实际效率约50%），A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。这是因为D类功放的放大元件是处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。

（2）功率大。在D类功放中，功率管的耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合，输出功率可达数百瓦。

（3）失真低。D类功放因工作在开关状态，因而功放管的线性已没有太大意义。在D类功放中，没有B类功放的交越失真，也不存在功率管放大区的线性问题，更无需电路的负反馈来改善线性，也不需要电路工作点的调试。

（4）体积小、重量轻。D类功放的管耗很小，小功率时的功放管无需加装体积庞大的散热片，大功率时所用的散热片也要比一般功放小得多。而且一般的D类功放现在都有多种专用的IC芯片，使得整个D类功放电路的结构很紧凑，外接元器件很少，成本也不高。

2．D类功放的组成与原理

探讨D类功率放大器

摘 要：我国经济的飞速发展，丰富了居民物质生活需要，一些家电用品在科学技术的飞速带动下，其更新速度越变越快。在音频这快速发展的这几十年里，各种技术类型的音频功率放大器充斥着市场，先有a类，后有b类，而后就是ab类的音频功率放大器。同时在居民对音响效果的追求，科学技术也在这方面发展，d类功率放大器正成为消费者首选。d类功率放大器具有比较多的优点，其功耗低，产生的热量也比较少，一方面还可以节省许多的印制电路板的面积与制造成本，另一方面可以有效的延长该器械中的电池寿命。d类功率放大器的原理是透过控制开关的单元中的on/off，在此基础上，比较好的驱动其内部的扬声器的放大器。由于d类功率放大器的发展历程短，其系统与音频质量还需提高。本文从d类功放的发展背景、诞生的缘由、功率放大器的基本组成等方面叙述，在此基础上，探讨传统功放与d类功放的比较。

关键词：音频领域；印制电路板；音响效果；扬声器；功耗低

家庭影院自上世纪80年代兴起后，现代的家庭影音系统开始有着质的飞跃，可以在瞬间得到众多观众的喜爱，尤其在年轻一代中广受欢迎，并且飞速的进入消费者的家中。随着信息技术的发展，家庭影音系统正在这些技术的带动下，其技术质量、音响效果等越来越受完美，许多电子技术的爱好者也希望能够自己独立完成按照自己意愿设计的家庭影音系统，这一逐渐成为社会年轻人的一大发展趋势。 一、d类功率放大器的概述

几十年在音频领域中，a类，b类，ab类音频功率放大器一直占据统治地位。音频功率放大器发展经历了这样的几个过程：所有器件从电子管、晶体管到集成电路的过程：电路组成从单管到推挽的过程：电路形成从变压器输出到otl、ocl、btl的形式过程。其基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备的环保要求。迫使人们开发，高效、节能、环保、数字化的音频功率放大器，它应该具有工作效率高，便于与其它数字化设备相连接的特点。d类功率放大器就是pwm型功率放大器。它基本符合上面的要求。

电磁场与微波　

Ｌ频段电流型Ｄ类功率放大器设计与实现　

纪学军，郝新慧　

（中国电子科技集团公司第５４研究所，河北石家庄０５００８１）　

摘要电流型Ｄ类功率放大器与传统电压型Ｄ类功率放大器相比，能够消除由非线性寄生电容所带来的功率损耗，因　而取得更高的效率和适用于更高的频率段。在Ｌ频段实验仿真设计电流型Ｄ类放大器的电路并对其电路进行性能分析，最　后实现了在１　ＧＨｚ频率点电流型Ｄ类功放电路，采用ＬＤＭＯＳ场效应管，实际合成输出功率为８．３　Ｗ，功率增益为１４．２　ｄＢ，漏极　

效率可达６４．８％。　关键词Ｄ类放大器；高效率；Ｌ频段　中图分类号ＴＮ７２２　文献标识码　Ａ　文章编号　１００３—３１０６（２００７）０６—００４３—０３　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌ－ｂａｎｄ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｍｏｄｅ　Ｃｌａｓｓ　Ｄ　

ＪＩ　Ｘｕｅ－ｊｕｎ．ＨＡ０　Ｘｉｎ＿ｈｕｉ　

（Ｔｈｅ　５４ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＥＴＣ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｈｅｂｅｉ　０５００８１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｍｏｄｅ　ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，Ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ　ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ　ｏｂｔａｉｎ　ｈｉｇｈｅｒ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｙ　ｉｎ　ｈｉｇｈｅｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｂｌｅ　ｔｏ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐａｒａｓｉｔｉｃ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｌｏｓｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｌ　ｂａｎｄ　ｗｉｔｈ　ＬＤＭＯＳ　ＭＥＳＦＥＴ．Ａ　ｄｒａｉｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　６４．８％ｉｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ａｔ　１　ＧＨｚ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　８．３　Ｗ　ａｎｄ　ｇａｉｎ　ｏｆ１４．２　ｄＢ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｃｌａｓｓ—Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｈｉｇｈ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ；Ｌ－ｂａｎｄ　

D 类提高音频放大器的效率

作者：德州仪器公司Mike Score

D 类采用脉宽调制 (PWM) 信号取代AB 类放大器通常采用的线性信号。PWM 信号包括音频信号以及PWM开关频率与谐波。D 类音频放大器比AB 类放大器效率高得多，因为输出MOSFET 可从极高阻抗转变为极低阻抗，从而在作用区操作只有几纳秒。利用上述技术，输出级上损失的功率极低。此外，LC 过滤器或扬声器的感应元件在各周期还能存储能量，并可确保切换功率不会在扬声器中损失。

引言

尽管D 类放大器推出已经有一段时间了，但许多人仍不理解D 类放大器工作的基本原理，也不明白其为什么会提供更高效率。本文将解释脉宽调制 (PWM) 信号是如何创建的，以及说明您听到的是音频频率而非PWM波形的开关频率。本文将详细说明输出PWM波形为什么比输出线性波形效率高很多，还将说明为什么某些D类放大器要求LC过滤器，而某些则不需要。

B> D 类输出信号 (PWM) 如何包含音频信号？

TPA3001D1结构图（见图1）有助于解释PWM信号是如何形成的。首先，模拟输入D 类采用前置放大器获得输入音频信号，并确保差动信号。随后，积分器级 (integrator stage) 可低通过滤音频信号以实现抗失真与稳定性。音频信号而后与三角波相比较，以创建脉宽调制 (PWM)信号。门驱动电路系统采用 PWM 驱动输出FET，其将在输出端创建高电流PWM信号。

图1：TPA3001D1结构图。

图2显示了典型的PWM信号是如何从图1中的比较器功能块形成的。可将音频输入与250-kHz的三角波相比较。当音频输入电压大于250-kHz三角波电压时，非反相比较器输出状态为高，而当250-kHz三角波大于音频信号时，非反相比较器输出状态为低。非反相比较器输出为高时，反相比较器输出为低；而当非反相比较器输出为低时，反相比较器输出为高。平均 PWM非反相输出电压VOUT+(avg) 为忙闲度乘以电源电压，此外D表示忙闲度，或"开启"时间t(on) 除以总周期 T。

啊冀技黛　ｇｉｏ￣ｎｏｉｎｅｅｒｉａ８　器件与电路ｑ－ｐ　囿　囿响　＠６　＠凹６　

文章编号：１００２－８６８４｛２０１２）０１－００３３—０４　

一种发送超声波的Ｄ类功率　・产品设计・　

放大器的设计　

蒋锟林　（中国电子科技集团公司第三研究所，北京１０００１５）　

【摘要】Ｄ类音频功率放大器以其体积小、效率高的优点，为其在音频功放领域赢得了很大的市场空间。介绍了　Ｄ类功放的基本原理、构成方案及安全运行措施。同时推荐了一种用于发送超声波的Ｄ类功放的具体电路。　【关键词】Ｄ类功率放大器；脉冲宽度调制；脉冲密度调制；自振荡调制；超声波　【中图分类号】ＴＮ７２２．７　【文献标识码】Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｃｌａｓｓ　Ｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｆｏｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ＪＩＡＮＧ　Ｋｕｎｌｉｎ　（Ｔｈｅ　Ｔｈｉｒｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１５，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｃｌａｓｓ　Ｄ　ａｕｄｉｏ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｕｄｉｏ—ｍａｒｋｅｔ．Ｂｅｉｎｇ　ｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉ－　ｃｉｅｎｔ，Ｉｔ　ｗｉｎｓ　ｇｒｅａｔ　ｓｈａｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｒｋｅｔ．Ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｐｒｅｃａｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ａ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｆｏｒ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｂｙ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）；Ｐｕｌｓｅ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＤＭ）；ｓｅｌｆ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　ＰＷＭ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　

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全遥控数字音量控制的D类功率放大器

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引言

几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占据“统治”地位，

其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从

单管到推挽过程；电路形成从变压器输出到OTL、OCL、BTL形式过程。其基本类型是模

拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。全球音视频领域数字化的浪潮以及人们

对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快开发高效、节能、数字化的音频功率放大

器，它应该具有工作效率高，便于与其他数字化设备相连接的特点。D类音频功率放大

器是PWM型功率放大器，它符合上述要求。近几年来，国际上加紧了对D类音频功率放

大器的研究与开发，并取得了一定的进展，几家著名的研究机构及公司已经试验性地向

市场提供了D类音频功率放大器评估模块及技术。这一技术一经问世立即显示出其高效、

节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子工业、商业界的特别关注，现在这

一前沿的技术正迅猛发展，前景一片光明。

单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，

在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的

应用。在许多基于单片机的应用系统中，系统需要实现遥控功能，而红外遥控则是被采

用较多的一种方法。红外遥控是通过红外管发送红外遥控编码对其设备进行控制的,不

同设备的遥控发送的红外遥控编码都是不同的。由于红外无线解决了有线连接的许多不

便，因而受到了家电设备厂商、电脑外围设备商、以及通信设备厂商的高度重视。

D类功率放大器

一． 原理

D类功放也称为数字功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。传统模拟放大器有甲类、乙类、甲乙类和丙类等。一般的小信号放大都是甲类功放，即A类，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以，能量转换效率很低，理论效率最高才25%。乙类放大，也称B类放大不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效卒高达78 5%。但因为这样的放大，小信号时失真严重实际电路都要略加一点偏置，形成甲乙类功放，这么一来效率也就随之下降。虽然高频发射电路中还有一种丙类，即C类放大，效率可以更高，但电路复杂、音质更差，音频放大中一般都不采用。这几种模拟放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号的大小控制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自身也在消耗电能。

D类功放采用脉宽调制（PWM）原理设计，其功放管工作在开关状态。在理想情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗。它在实际的工作中的功率消耗主要由两部分构成：转换损耗和I2R损耗。转换损耗如图1-1所示：

当开关式放大器输出在接通和断开之间切换，或断开和接通之间切换时通过线性区域而消耗功率。在D类功放中开关管如果采用的是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET管），它的开关导通电阻较小一般远远小于1Ω，所以I2R损耗相对来说还是很小的。当达到最大额定功率时，D类放大器的效率在80％到90％的范围内。在典型的听音条件下，效率也可达到65％到80％左右，约为AB类放大器的两倍以上。

D类放大器可分为数字D类放大器与模拟D类放大器两类，数字D类放大器一般用于数字音响领域，如CD信号的功率放大。模拟D类放大器一般可分为前置放大级、PWM调制、功率放大与低通滤波四个部分。其中PWM调制和功率放大是D类放大器的核心，PWM调制的一般方案有：

器件与电路　国　，　圃∞固＠６　＠凹舱　一ｉｌ＆一　口以ｏ　ｆｎ‘ｆｔｉｎ０　

文献引用格式：王忠诚．基于ＳＴＡ３３５ＢＷ的Ｄ类功率放大器的分析与设计［Ｊ］．电声技术，２０１６，４０（２）：２８—３１．　ＷＡＮＧ　Ｚｈｏｎｇｃｈｅｎｇ．Ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＡ３３５ＢＷ［Ｊ］．Ａｕｄｉｏ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，４０　（２）：２８—３１．　中图分类号：ＴＮ７２２．５　文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．１６３１１／ｊ．ａｕｄｉｏｅ．２０１６．０２．０６　

基于ＳＴＡ３３５ＢＷ的Ｄ类功率放大器的分析与设计　

王忠诚　（怀化商业学校、怀化高级技校，湖南　怀化４１８０００）　摘要：为了减小能耗，提高效率，实现电路贴片化，同时又能获得比较理想的音质，提出了一种Ｄ类功率放大器设计　方案。以ＳＴＡ３３５ＢＷ为主芯片，配以优质的二阶低通滤波器，就能构成高性能的Ｄ类功率放大器。实践表明，此功　率放大器的输出功率可达２×１６　Ｗ，总谐波失真度（ＴＨＤ）在１％以下，电路效率可达９０％，频响范围可达２０　Ｈｚ一　２０　ｋＨｚ。该放大器可用于数字声像设备中，具有广阔的应用前景。　关键词：Ｄ类功放；ＳＴＡ３３５ＢＷ；ＰＷＭ信号；Ｉ　Ｓ总线；低通滤波器；Ｉ　Ｃ总线　

Ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＡ３３５ＢＷ　ＷＡＮＧ　Ｚｈｏｎｇｃｈｅｎｇ　（Ｈｕａｉｈｕａ　Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｈｕａｉｈｕａ　Ｓｅｎｉｏｒ　ｖｅｓｔｉｂｕｌｅ　ｓｃｈｏｏｌ，Ｈｕａｉｈｕａ　Ｈｕｎａｎ　４１８０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｉｍｐｒｏｖｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｃｈｉｅｖｅ　ＳＭＤ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｇａｉｎ　ｉｄｅａｌ　ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，ａ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ　ＳＴＡ３３５ＢＷ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｈｉｐ，ｗｉｔｈ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｓｅｃｏｎｄ—ｏｒｄｅｒ　ｌｏｗ—ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ　ａ　ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ。Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ａｍ—　ｐｌｉｆｉｅｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｐ　ｔｏ　２ｘ　１６　Ｗ，ｔｏｔａｌ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ（ＴＨＤ）ｕｎｄｅｒ　１％，ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｕｐ　ｔｏ　９０％，ａｎｄ　ｆｒｅ—　ｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｕｐ　ｔｏ　２０　Ｈｚ～２０　ｋＨｚ．Ｔｈｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ａｕｄｉｏ—ｖｉｓｕａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ａ　ｂｒｏａｄ　ｆｄｐ—　ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ。　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＳＴＡ３３５ＢＷ；ＰＷＭ　ｓｉｇｎａｌ；１２Ｓ　ＢＵＳ；ｌｏｗ—ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ；ｉｚＣ　ＢＵＳ　

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电子与第9卷第5期

收稿日期：2009-04-20基于BiCMOS工艺的D类功率放大器设计

朱　洲，李　冰，肖志强

（东南大学IC学院，南京 210096）

摘　要：文章首先详细研究了D类音频放大器和相关的BiCMOS的基本原理和结构，并在此基础上

综合现阶段国内市场对D类功率放大器的需求，开发了基于0.6μm特征线宽、双层多晶、双层金

属的多晶发射极BiCMOS工艺的D类功率放大器。该D类音频放大器，在5V电压下可以以1.4W/Ch

的功率驱动阻抗为8的负载。它同样可驱动阻抗为4的负载，5V电压下提供的最大功率为2.1W/Ch。

同时还详细描述了前置音频放大器，三角波产生电路、比较器，死区控制电路，输出驱动电路等子

模块的设计内容。电路在Cadence环境下进行设计和仿真验证，经过仿真表明电路设计性能良好，符合设计要求，可广泛应用于便携式电子产品。

关键词：D类功率放大器；死区控制；H桥；BiCMOS工艺；多晶发射极；便携式

中图分类号：TN722.7 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2009）05-0028-03

CLASS-D AMP Design and Development base on BiCMOS Process

ZHU Zhou, LI Bing, XIAO Zhi-qiang（Southeast University IC College, Nanjing 210096, China）

Abstract: In this dissertation, first study on the basic principle of class D power amplifier and BiCMOS process.

After synthetizing requirement of home market at present stage, the circuit of class D power amplifier is designed

圃　訇嗡　

文献引用格式：车贺宾，江鹏．声呐发射机中Ｄ类功率放大器的设计［Ｊ］．电声技术，２０１７，４１（２）：２３—２７．　ＣＨＥ　Ｈｅｂｉｎ．ＪＩＡＮＧ　Ｐｅｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｉｎ　ｓｏｎａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ［Ｊ］．Ａｕｄｉｏ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，４１　（２）：２３—２７．　中图分类号：ＴＮ７２２．７　文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．１６３１１／ｊ．ａｕｄｉｏｅ．２０１７．０２．０５　

声呐发射机中Ｄ类功率放大器的设计　

车贺宾　，江鹏　（１．石家庄铁道大学信息科学院技术学院，河北石家庄０５００４３；２．武汉大学，湖北武汉４３００７２）　

摘要：声呐发射机的主要作用是产生具有特定形式的大功率电信号，经过匹配网络（提高发射机输出效率）后再通过　换能器将电信号转换为声信号。发射机一般包括信号产生器、功率放大器和发射换能器。详细介绍了一种基于　ＭＯＳＦＥＴ的半桥式Ｄ类功率放大器设计的步骤和方法，并给出了水声换能器假负载的实验波形，信号畸变与失真较　小。根据测试结果证明输出５０　ｋＨｚ左右ＰＷＭ波时效率达到８０％，符合声呐发射机高效率、小体积的设计要求。　关键词：声呐发射机；半桥电路；ＭＯＳＦＥＴ（金　氧化物半导体场效应晶体管）　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｌａｓｓ　Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｉｎ　ｓｏｎａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ＣＨＥ　Ｈｅｂｉｎ　，ＪＩＡＮＧ　Ｐｅｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｔｉｅｄａｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００４３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｈｕｈａｎ　４３００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｏｎａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｍａｉｎｌｙ　ｔｏ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｒｔ　ｉｔ　ｉｎｔｏ　ｓｏｕｎｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ（ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｍｐｏｓｅｓ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｈａｌｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｌａｓｓ　Ｄ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＯＳＦＥＴ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ｂｅｓｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ　ｌｏａｄ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ　ｄｉｓｔｏｒｔ－　ｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｒｅａｃｈｅｓ　８０％ａｔ　５０　ｋＨｚ．Ｉｔ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｓｍａｌｌ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｎａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｏｎａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ；ｈａｌｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｆｉｅｌｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）　

第３５卷第１期　２０１３年２月　指挥控制与仿真　Ｃｏｍｍａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｖ０ｌ＿３５　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１３　

文章编号：１６７３－３８１９（２０１３）０１－０１３５－０６　

多电平Ｄ类功率放大器的工作原理　

宋昕。，张缨　，徐鲁威　，董明　

（Ｉ．海军驻连云港七一六所军事代表室，江苏连云港２２２００６；２．海军装备研究院，北京１００１６１）　摘要：介绍了一种新颖的高效水池试验声纳用基于级联型多电平拓扑结构的开关型功率放大器，采用单极倍频相　移ＰＷＭ技术，其开关频率是单个单元开关频率的２Ｎ倍，总的输出电压波纹小，比较了采用相移ＰＷＭ技术和位移　ＰＷＭ技术的多电平输出信号的性能特点，分析了级联型多电平Ｄ类功率放大器的工作原理，之后研制了一台级联　型多电平的Ｄ类功率放大器。研究结果表明，采用单极倍频相移三角载波ＰＷＭ法的级联型多电平Ｄ类功率放大　器具有良好的跟踪性和稳定性。　关键词：Ｄ类功率放大器；多电平控制；相移ＰＷＭ模式　中图分类号：ＴＭ４６４；Ｅ９３３　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—３８１９．２０１３．Ｏ１．０３１　

Ｃａｓｃａｄｅ　Ｍｕｈｉｌｅｖｅｌ　Ｃｌａｓｓ．Ｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　Ｗｉｔｈ　

ｔｈｅ　Ｃａｒｒｉｅｒ．．Ｂａｓｅｄ　Ｐｈａｓｅ．．Ｓｈｉｆｔｅｄ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　

ＳＯＮＧ　Ｘｉｎ　．ＺＨＡＮＧ　Ｙｉｎｇ　，ＸＵ　Ｌｕ．ｗｅｉ　，ＤＯＮＧ　Ｍｉｎｇ　（１．Ｎａｖｙ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　Ｏｆｆｉｃｅ　ｉｎ　Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ　２２２００６；　２．Ｎａｖａｌ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ａｒｍａｍｅｎｔ，Ｂｅｒｉｎｇ　１００１６１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｓｗｉｔｃｈ—ｍｏｄｅ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｃａｓｃａｄｅ　ｍｕｌｔｉｃｅｌｌ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｙ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｕｈｉｃｅｌｌ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｂｅｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｉｎ　ａ　ｕｎｉｐｏｌａｒ　ｐｈａｓｅ・－ｓｈｉｆｔｅｄ　ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｗｉｔｃｈ－－ｍｏｄｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｓ　２Ｎ　ｔｉｍｅｓ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｃａｒｒｉｅｒ—　Ｂａｓｅｄ　ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｅｄ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｅｌｌｓ，ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｉｐｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙ　ｓｍａｌ１．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｃａｓｃａｄｅ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｗｏ　ｃａｒｒｉｅｒ－ｂａｓｅｄ　ＰＷＭ　ｓｃｈｅｍｅｓ，　ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｅｄ　ａｎｄ　ｌｅｖｅｌ—ｓｈｉｆｔｅｄ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ａ　ｃａｓｃａｄｅ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｃｌａｓｓ—Ｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗ　ａｎ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｌａｓｓ－Ｄ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ；ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｈａｓｅ・ｓｈｉｆｔｅｄ　ＰＷＭ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ