D類放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數字信息變換成PWM或PDM的脈沖信號，然后用PWM的脈沖信號去控制大功率開關器件通/斷音頻功率放大器。本文主要介紹了其設計方法。

　　總體設計分析

　　本系統由高效率功率放大器（D類音頻功率放大器）、信號變換電路、外接測試儀表組成，系統框圖如圖1所示。

　　圖1 系統方框圖

　　D類功放的設計

　　D類放大器的架構有對稱與非對稱兩大類，在此討論的D類功放針對的是對功率、體積都非常敏感的便攜式應用，因此采用全電橋的對稱型放大器，以充分利用其單一電源、系統小型化的特點。D類功率放大器由PWM電路、開關功放電路及輸出濾波器組成，原理框圖如圖2所示。

　　圖2D類音頻功率放大器組成框圖

　　采用了由比較器和三角波發生器組成的固定頻率的PWM電路，用輸入的音頻信號幅度對三角波進行調制，得到占空比隨音頻輸入信號幅度變化的方波，并以相反的相位驅動上下橋臂的功率管，使功率管一個導通時另一個截止，再經輸出濾波器將方波轉變為音頻信號，推動揚聲器發聲。采用全橋的D類放大器可以實現平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并可減少干擾。全橋電路負載上的電壓峰峰值接近電源電壓的2倍，可采用單電源供電。實現時，通常采取2路輸出脈沖相位相反的方法。

　　硬件電路設計

　　D類功率放大器的工作過程是：當輸入模擬音頻信號時，模擬音頻信號經過PWM調制器變成與其幅度相對應脈寬的高頻率PWM脈沖信號，控制開關單元的開/關，經脈沖推動器驅動脈沖功率放大器工作，然后經過功率低通濾波器帶動揚聲器工作。

　　比較器

　　比較器電路采用低功耗、單電源工作的雙路比較器芯片LM311構成。此處為提高系統效率，減少后級H橋中CMOS管不必要的開合，用兩路偏置不同的三角波分別與音頻信號的上半部和下半部進行比較，當正端上的電位高于負端的電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。這樣產生兩路相互對應的PWM波信號給后級驅動電路進行處理，雙路比較電路如圖3所示。

　　圖3 比較器電路

　　此處值得注意的是將上半部比較處理為音頻信號接比較器的負向端、三角波信號接正向端；下半部比較則相反，這樣形成相互對應，在音頻信號的半部形成相應PWM波時，另半部為低電平，可保征后級H橋中的CMOS管沒有不必要的開合，以減少系統功率損耗。電路以音頻信號為調制波，頻率為70kHz 的三角波為載波，兩路信號均加上2．5V的直流偏置電壓，通過比較器進行比較，得到幅值相同，占空比隨音頻幅度變化的脈沖信號。

　　LM311芯片的供電電壓為5V單電源，為給V＋＝V－提供2．5V的靜態電位，取R10＝R11，R8＝R9，4個電阻均取10kΩ。由于三角波Vp－p＝2V，所以要求音頻信號的Vp－p不能大于2V，否則會使功放產生失真。由于比較器芯片LM311的輸出級是集電極開路結構，輸出端須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采用1kΩ的電阻。

　　驅動電路以及互補對稱輸出和低通濾波電路

　　如圖4所示。將PWM信號整形變換成互補對稱的輸出驅動信號，用CD40106施密特觸發器并聯運用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補對稱式射極跟隨器驅動的輸出管，保證了快速驅動。驅動電路晶體三極管選用9012和9014對管。

　　H橋互補對稱輸出電路對VMOSFET的要求是導通電阻小，開關速度快，開啟電壓小。因輸出功率稍大于1W，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅動的對管，IRF9630和IRFZ48NVMOS對管的參數能夠滿足上述要求，故采用之。實際電路如圖4所示。本設計采用4階Butterworth低通濾波器。

　　圖4H橋互補對稱輸出及低通濾波電路

　　對濾波器的要求是上限頻率≥20kHz，在通頻帶內特性基本平坦。互補PWM開關驅動信號交替開啟Q6和Q8或Q12和Q10，分別經兩個4階巴特沃茲濾波器濾波后推動喇叭工作。