D类音频功率放大器1 (1)

近二十年来电子学课本上所讨论的放大器偏压(Bias)分类不外乎A类、B类、C类等放大电路，而讨论音频功率放大器仅强调A类、B类、AB类而却把D类放大器给忘掉了，事实上D类放大器早在1958年已被提出(注一)，甚至还有E类、F类、G类、H类及S类等(注二)，只是这些类型的电路与D类很接近，运

用机会低，所以也就很少被提及。

音频功率放大器最大目的在提供喇叭得到最大功率输出，而卫衍生与电源所供给功率不对等的关系，即所谓功率放大器的效率(输出功率与输入功率之比)如表一所示:

偏压分类 理想效率 A类 25% AB类 介于A与B类之间 B类 78.5% D类 100% 表一 各類功率放大器的效率比

随着轻、薄、短、小手持电子装置的发展，诸如手机、MP3、PDA、IPOD及LCD TV…数位家庭等，寻求一个省电的高效率音频功率放大器是必然的。因此最近几年音频功率放大器由AB类功率放大器转以D类功率放大器为主流。如图1所示(注三)，在实际应用上D类放大效率可达90%以上远超过效率50%的AB类放大。所以D类放大的晶体管散热可大大的缩小，很适合应用于小型化的电子产品。

圖 1 D類 及 AB 類效率比較

一、D 类放大器的架构

D类放大器又可称数字式功率放大，基本架构如图2所示，输入讯号经由脉波宽度调变器(Pulse Width Modulation)将音频信号调制成数字信号后，由功率晶体管(Q1,Q2)放大输出，再经由低通滤波器(Lf,Cf)取出原输入端的音频讯号送至喇叭输出。

圖2 D類放大器基本架構

由于功率晶体管输入为一数字信号，Q1,Q2工作处于饱和与截止两个状态，因此Q1,Q2本身所消耗功率将非常小，提高整个放大器的效率，而使散热装置大幅减小进而在组件的设计上可以大大缩小其体积。如图3所示MP7720具有20W输出的D类放大器的尺寸为4.8mm x 5.8mm x 0.135mm(注四)

圖3 MP7720 元件圖

二、D 类放大器的功率分析

功率放大器的输出属开关状态，即输出为一方波波形，由傅利叶级数分析知: Vo(t)=

4Vcc( sint+

111sin3t+sin5t+sin7t+…) 3574Vcc，因此负载所高次谐波经由低通滤波器滤除后，输出信号的最大值为能得到的最大功率PLm为

Vm8Vcc2PLm==2

RLRL2Vm2而电路的平均电流Iav=

8Vcc8Vcc2=2，则电源输入功率Ps=Vcc *Iav= 2RLRL由PLm与Ps比值知， D类放大效率达到100%。

三、脉波宽度调变器(Pulse Width Modulation;PWM)

PWM属于数字通讯中调变模式的一种方式，也经常被应用在直流马达的伺服控制、交换式电源供给器(switching power supply )…等，

其间的差异在于所使用振荡器频率的不同，基本架构如图4所示，就是利用一三角波经由比较器与输入信号作比较而产生一方波输出，而方波的输出频率与输入三角波频率相同，仅方波的工作周期随着输入信号(正弦波)振幅大小而改变如图5所

圖4 PWM基本架構

示。图6所示为一简易

型PWM产生电路(注五)，由枢密特电路及积分电路所组成，振荡器频率由R、C、及R1’R2所决定:triangle

R2 fo=

4RCR1

圖5 PWM 輸出波形

D类放大器主要提供20~20Khz音频放大，因此PWM调制频率必须使用大于10倍以上的频率，频率愈高还原后的信号将愈细腻、清晰，例如MP7720如表二所示均使用在600Khz以上。

圖6 PWM產生器

表二 MP7720增益、调制频率及电容的关系表

四、MP7720电路分析

D类放大器的常见业者有ADI、Cirrus Logic、MAXIM、Motorola、NS、Philips、Sanyo、ST、TI…等，图7电路所示为MonolithicPower公司所生

产的MP7720应用电路，提供20W的输出功率(Vdd=24v)，放大倍数由R4,R1

R决定，Av=-4, C3负责调制频率的大小如表二所示，电路频率为720KHz,

R1而R3,R2决定放大器工作点的偏压。

表二 MP7720典型應用電路

五、结论

D类放大器由于具有高效率、省电及体积小的特点，随着掌上型、行动式、手持式装置的发展，其音效部分大都以D类放大器为主流，因此在电子学的教学方面应多加强调，尤其PWM电路观念的介绍，对学习电子、信息及电机领域的同学帮助很大。 六、参考数据

注一:Class D Audio Amplifier,Analog Dialogue 40-60,June(2006),www.analog.com 注二:Solid State Radio Engineering”,Herbert L.Krauss ,1980竹一出版社

注三: Sergio Sánchez Moreno (ColdAmp) ,June 2005, sound.westhost.com/articles/pwm.htm 注四:MP7720 20W Class D Mono Single Ended Audio Amplifier,www.MonolithicPower.com 注五: PWM Motor/Light Controller, www.solorb.com