D类扩大器（数字音频功率）是一种将输入模仿音频信号或PCM 数字信息改换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PWM 的脉冲信号去操控大功率开关器材通/断音频功率扩大器。D类扩大或数字式扩大器，是使用极高频率的转换开关电路来扩大音频信号的，经常被用于高功率的音频扩大器中。在高保真音响设备和更高级的家庭影院设备中，往往需求几十瓦乃至几百瓦的音频功率，这时，低失真、高功率的音频扩大器就显得颇为重要，本文从有用视点动身，规划了一款低失真、高功率的音频扩大器，与传统扩大器比较，本扩大器在功率、体积以及功率耗费方面具有显着的优势，它发生的热量小且为传统扩大器的一半，其功率在78%以上，而传统的扩大器功率仅在50%左右。
1 体系规划
1．1 总体规划剖析
本体系由高功率功率扩大器（D 类音频功率扩大器）、信号改换电路、外接测验外表组成，体系框图如图1 所示。
图1 体系方框图
1．2 D 类功放的规划
D 类扩大器的架构有对称与非对称两大类， 在此评论的D类功放针对的是对功率、体积都十分灵敏的便携式使用，因而选用全电桥的对称型扩大器，以充分使用其单一电源、体系小型化的特色。D 类功率扩大器由PWM 电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图2 所示。
选用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号起伏对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号起伏改动的方波， 并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推进扬声器发声。选用全桥的D 类扩大器能够完成平衡输出，易于改进扩大器的输出滤波特性，并可削减搅扰。全桥电路负载上的电压峰峰值挨近电源电压的2 倍，可选用单电源供电。完成时，一般采纳2 路输出脉冲相位相反的办法。
图2 D 类音频功率扩大器组成框图
2 硬件电路规划
2．1 原理剖析
D 类功率扩大器的作业进程是： 当输入模仿音频信号时，模仿音频信号经过PWM 调制器变成与其起伏相对应脉宽的高频率PWM 脉冲信号，操控开关单元的开/关，经脉冲推进器驱动脉冲功率扩大器作业，然后经过功率低通滤波器带动扬声器作业。
2．2 比较器
比较器电路选用低功耗、单电源作业的双路比较器芯片LM311 构成。此处为进步体系功率，削减后级H 桥中CMOS 管不必要的开合， 用两路偏置不同的三角波别离与音频信号的上半部和下半部进行比较，当正端上的电位高于负端的电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。这样发生两路彼此对应的PWM波信号给后级驱动电路进行处理，双路比较电路如图3 所示。
图3 比较器电路
此处值得注意的是将上半部比较处理为音频信号接比较器的负向端、三角波信号接正向端；下半部比较则相反，这样构成彼此对应，在音频信号的半部构成相应PWM 波时，另半部为低电平，可保征后级H 桥中的CMOS 管没有不必要的开合，以削减体系功率损耗。电路以音频信号为调制波，频率为70kHz 的三角波为载波，两路信号均加上2．5V 的直流偏置电压，经过比较器进行比较，得到幅值相同，占空比随音频起伏改动的脉冲信号。
LM311 芯片的供电电压为5V 单电源，为给V＋＝V－供给2．5V的静态电位，取R10＝R11，R8＝R9，4 个电阻均取10kΩ。因为三角波Vp－p＝2V，所以要求音频信号的Vp－p 不能大于2V，不然会使功放发生失真。因为比较器芯片LM311 的输出级是集电极开路结构，输出端须加上拉电阻，上拉电阻的阻值选用1kΩ 的电阻。
2．3 驱动电路以及互补对称输出和低通滤波电路
如图4 所示。将PWM 信号整形改换成互补对称的输出驱动信号， 用CD40106 施密特触发器并联运用以取得较大的电流输出，送给由晶体三极管组成的互补对称式射极跟从器驱动的输出管，确保了快速驱动。驱动电路晶体三极管选用9012 和9014 对管。
H 桥互补对称输出电路对VMOSFET 的要求是导通电阻小，开关速度快，敞开电压小。因输出功率稍大于1W，属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、简单快速驱动的对管，IRF9630 和IRFZ48N VMOS 对管的参数能够满意上述要求，故选用之。实践电路如图4 所示。本规划选用4 阶Butterworth低通滤波器。
图4 H 桥互补对称输出及低通滤波电路
对滤波器的要求是上限频率≥20kHz， 在通频带内特性根本平整。互补PWM 开关驱动信号替换敞开Q6 和Q8 或Q12和Q10，别离经两个4 阶巴特沃兹滤波器滤波后推进喇叭作业。
3 电路测验
3．1 调试过程
1）通频带的丈量：在扩大器电压扩大倍数为10，实测3dB 通带的上、下鸿沟频率值。通频带测验时应去掉测验用的RC 滤波器。
2）最大不失真输出功率：扩大倍数为10，输入1kHz 正弦信号，用毫伏表丈量扩大器输出电压有效值，核算最大输出功率Po－max。3）输入阻抗：在输入回路中串入10kΩ 电阻，扩大器输入端电压下降应小于50%。
4）功率丈量：输入1kHz 正弦波，扩大倍数为10 时，使输出功率到达500mW，丈量功率扩大器的电源电流I（不包括测验用改换电路和显现部分的电流）。要求电源电压V 的规模为5×（1＋1%）V。功率为：500mW%V×I。
3．2 数据剖析
依据以上的调试过程丈量，测得数据如表1、表2、表3、图5、图6 所示。
图5 展现了当输入信号的幅值不变，仅改动其频率，动态扩大差错效果图。由图可知，关于频带以外的信号，体系的扩大倍数与输出幅值有显着下降。关于当信号频率的升高导致EMI（电磁搅扰）增强，能够使用低通滤波器下降搅扰。
图5 差错扩大（动态）
图6 最大不失真功率测验数据
功率扩大器选用5V 电源， 前置扩大器的扩大倍数调到最大，恰当的调理输入信号的幅值，改动其频率，丈量其最大不失真输出功率及功率见图6。关于频带以外的信号，功率扩大器的最大不失真功率有显着的下降。若要进步功率，能够下降载波频率，但输出电压的谐波成分及失真添加；若要使输出电压非线性失真削减，则需进步PWM 调制信号的频率。虽然高频搅扰是D类功率扩大器如今存在的首要问题，但其高效节能的长处，以越来越多的受到了人们的注重。
从上面的数据可知， 功放的功率和最大不失真输出功率与理论值还有一些距离，其原因有以下几方面：
1）在功放电路存在静态损耗。电路在静态下是具有必定的功耗，测验其5V 电源的静态总电流约为28mA，静态功耗为：P 损耗＝5×28＝140mW，则这部分的损耗对总的功率影响很大，且对小功率输出时影响更大。
2）功放输出电路的损耗，这部分的损耗对功率和最大不失真输出功率均有影响。H 桥的互补鼓励脉冲达不到抱负同步，也会发生功率损耗。
3）滤波器的功率损耗，这部分损耗首要是由电感的直流电阻引起的，功率丈量电路的差错。此外，还有丈量仪器自身带来的丈量差错。
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