摘要

半導體技術的進步使D類放大器在便攜類，消費類電子產品領域再次受到關

注。D類功率放大器的理論早在上世紀60年代就已經提出，但是由于當時晶體

管反向器的轉換速率較低，難以把載波干擾信號輸入從輸入信號中區分開來，輸

出信號有較大的失真，所以并未得到很大的發展。D類功率放大器又稱開關型功

率放大器，相比傳統的A,B,C,AB類功率放大器，其具有高效、節能、數字化、

體積小、重量輕的特點，適應便攜設備高效節能的客觀需求,從而在音頻模擬集成

領域具有很大的優勢。隨著設計技術的不斷進步,D類功率放大器的性能指標也

逐步提高。D類放大器，既能提供高效率又能實現高音頻性能。

本文采用龍鼎微電子公司推出的PAM8610設計制作的D類音頻放大系統，有

著優秀的主觀聽感和毫無生硬刺耳、令人不快的聲音，不僅節省了輸出量的電感

和電容，節省了PCB面積，而且確保了量產時音質的一致性和可靠性，廣泛適

用于平板電視，LCD監視器，投影電視，多媒體播放系統，DVD播放器，游戲

機，BoomBox,音樂設備等。

關鍵詞：A類音頻功率放大器，B類音頻功率放大器，C類音頻功率放大器，AB

音頻功率放大器類，D類音頻功率放大器，PAM8610

Abstract

SemiconductortechnologyprogressmadeinportabletypeDamplifier,consumer

electronicsfieldagain.ThetheoryofclassDpoweramplifierbackinthelast

century60's,hashadraised,butduetotransistorinverteratlowerconversionrate,it

isdifficulttointerferewiththecarriersignalinputfromtheinputsignaltodistinguish

theoutputsignalhasalargerdistortion,soitdidnotgetmuchdevelopment.ClassD

switchingpoweramplifierpoweramplifier,alsoknownascomparedtothetraditional

A,B,C,ABpoweramplifier,itshighefficiency,energysaving,digital,smallsize,

lightweightcharacteristics,energyefficientportabledevicestoadapttotheobjective

needsoftointegrationinthefieldofanalogaudiohasagreatadvantage.Withthe

designtechnologyadvances,DPowerAmplifierperformanceisgraduallyimproving.

ClassDamplifiers,notonlytoprovideefficientandcanachievehighaudio

performance.

Inthispaper,thePAM8610PowerAnalogMicroelectronicsIntroducesClassD

designoftheaudioamplificationsystem,withgoodsoundeffectandnostiffharsh,

unpleasantvoice,notonlysavestheoutputinductorsandcapacitors,savingPCBarea,

andensureproductionconsistencyandreliabilitywhenthesoundquality,widelyused

inflat-panelTVs,LCDmonitors,projectionTV,multimediaplaybacksystems,DVD

players,gameconsoles,BoomBox,musicequipmentandsoon.

Keywords：Aclass,,Bclass,Cclass,ABclass,Daudiopoweramplifier,,

PAM8610

目錄

摘要...................................................I

Abstract..........................................................................................11

1緒言...................................................1

1.1課題背景.......................................................1

1.2本文的工作和意義..............................................2

1.3國內外概況.....................................................3

1.4本文的組織結構................................................4

2功率放大器原理.........................................5

2.1音響基礎知識...................................................5

2.1.1聲音的基本特性....................................................5

2.1.2音響的結構及參數..................................................5

2.1.3放大器的技術指標..................................................5

2.2功率放大器基本理論..............................................6

2.2.1純音樂功放........................................................6

2.2.2AV功放............................................................7

2.23功放的分類.........................................................7

2.3傳統功率放大器.................................................8

2.3.1A類功率放大器....................................................8

2.3.2B類功率放大器....................................................9

2.3.3AB類功率放大器...................................................11

234c類功率放大器.....................................................11

2.4D類功率放大器概論............................................11

3系統設計...............................................15

3.1PAM8610芯片簡介.............................................15

3.2PAM8610性能參數.............................................16

3.3利用PAM8610芯片設計D類功率放大器............................16

3.3.1系統參數..........................................................16

3.3.2電源設計.........................................................17

3.3.3EMI對策.........................................................17

3.3.4PAM8610測量.....................................................18

3.3.5印刷電路板(PCB)設計技術........................................19

4總結.................................................21

致謝....................................................22

參考文獻................................................23

獨創性聲明..............................................24

學位論文（設計）版權使用授權書..........................25

2

1緒言

1.1課題背景

近年來，半導體技術的進步使D類放大器在便攜類，消費類電子產品領域

再次受到關注。D類功率放大器的理論早在上世紀60年代就已經提出，但是由

于當時晶體管反向器的轉換速率較低，難以把載波干擾信號從輸入信號中區分

開來，輸出信號有較大的失真，所以并未得到很大的發展。上世紀80年代后，

M0S管的開關頻率大大提高，由它構成的反向器的工作頻率能夠達到250KHZ以

上，由分立電子元件設計的D類功率放大器開始出現，但是由于分立元件的較

大體積和能耗，其優勢未能充分發揮出來，難以與傳統的A類，B類，AB類功

率放大器競爭。90年代以后，以大規模集成電路為代表的半導體技術為D類功

率放大器注入了新的活力，使其再次得到較大發展川

D類功率放大器又稱開關型功率放大器，具有高效、節能、數字化、體積

小、重量輕的特點,適應便攜設備高效節能的客觀需求，從而在音頻模擬集成領域

具有很大的優勢。隨著設計技術的不斷進步,D類功率放大器的性能指標也逐步

提高。D類放大器，既能提供高效率又能實現高音頻性能。它使用脈沖寬度調制

(PWM)來把輸入信號轉換成方波信號，再去驅動輸出級功率晶體管。可以有多

種方法來產生PWM信號，最常用的方法是采用三角波載波與輸入信號相比較。

另外還可以對數字信號直接使用數字信號處理(DSP)的方法得到PWM信號。D

類功率放大器中的高效率來自于輸出級功率晶體管工作在開關狀態下，沒有靜

態電流功耗。D類功率放大器的保真度曾經不及傳統的功率放大器，但隨著M0S

管速度的提高，已經可以得到較高的PWM信號，現在的D類功率放大器的保真

度已經可以和AB類功率放大器媲美⑵。

D類功率放大器最引人注目的特點在于其極高的效率，一般可達90%左右，

這使其對于傳統的A類和AB類功率放大器具有突出的優點。D類功率放大器對

于電源電流的要求有較大降低，設備中電池的使用時間大大加長。采用D類功

率放大器的設備可以使用較小的電池代替原有的大電池，減小的設備體積，降

低了成本⑶。

歷史上出現過三代D類放大器設計：

第一代的范例是由托卡塔設計的TacTMillennium,它證實了D類放大器的

概念，但是該技術還不能提供足夠的性能，這使第一代D類放大器向著實用性

的方向發展。

第二代D類放大器把一個用于模擬源信號的PWM信號和一個集成的輸出級

以及片外濾波器組合在一起。這些放大器需要源選擇，音量，平衡和音調控制

等復雜的前端功能，而這些附加的功能增加了額外的復雜性。但是首先這代放

大器變得價格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超過了AB類放大器，從

而獲得了一定的應用。

第三代是最近一段時一間，現有的D類數字放大器較以前的技術已有所改善,

他們在音質、封裝、性能、價格和核心技術方面都已取得重大改進。為了生成

精確的音頻，輸入晶體管需要在動態范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助

精確地實現準確的功率分配。通過采用一個簡單但功能強大的內部控制邏輯系

統改善音頻輸出，并額外增加一套輸入晶體管，這些晶體管可以實現對音頻信

號輸入的更精細的控制。最后還不能忽視新的架構技術⑷。

1.2本文的工作和意義

D類音頻功率放大器具有小尺寸、高效率的優勢。利用D類功率放大器可以

設計出更小更薄和更有效率的電子產品，可延長便攜式產品電池的使用時間，

因此在業界普遍得到認可。手機、DVD、MP3和PMP等多媒體產品的普及，尤其

加速了D類功率放大器在便攜式電子產品中的使用。

本文基于龍鼎微電子公司推出的PAM8610。它是一片10W(每聲道)，無輸出

LC濾波器并且帶有直流音量控制的D類立體聲音頻放大器,PAM8610的新一代無

濾波器技術實現了低EMI,低失真以及在音頻范圍內平直的頻率響應，這種技術

已經申請了美國專禾!J,使用PAM8610的D類音頻放大系統不僅節省了輸出量的4

個電感和電容，節省了PCB面積，而且確保了量產時音質的一致性和可靠性.目

前.PAM推出了從1W到25W功率等級的D類放大器ICoPAM8610支持全套查分

輸入和單端輸入。全查分輸入架構大大提高了共模抑制比(CMRR)和紋波抑制比

音量控制,PAM8610內部有32級的數字音量電位器實現-40db至什36db的音量控

制，具體的音量大小由Volume引腳的直流電壓決定。另外,可供客戶選擇的FADE

模式可以使開機音量淡入.PAM8610內部有完善的短路保護和過熱關斷功能，為

40腳的QFN6*6封裝,在IC底部的導熱銅板可以使IC的熱量迅速傳到PCB銅箔

并散失到周圍環境中⑸。

PAM8610采用全新的電路結構，有著優秀的主觀聽感，毫無生硬刺耳令人不

快的聲音。PAM8610在12v電源電壓、8Q負載、輸出功率5W的時候，當對輸

出波形進行快速傅里葉變換，可以看到二次諧波失真為一65dB,三次諧波失真

—80dB,失真頻譜主要是偶次諧波成分。PAM8610這種類似電子管放大器的音

頻特性，可以得到溫暖甜美的音色。同時它采用領先的無濾波調制技術，沒有

死區時間的約束，可以實現小信號的精確還原。輸出級開關動作的次數只有目

2

前流行的無濾波調制方式的一半，EMI特性非常優秀⑹。

本文首先對比研究了各種傳統功率放大器的原理特點呢，然后細致研究并設

計了基于PAM8610芯片的D類立體聲音頻功率放大器。其輸出功率為2X3W(負

載4Q),數字音量控制64級，用兩個按鍵實現，穩壓電源電壓+5V,其THD

W10鏟。

1.3國內外概況

IMSResearch報告指出,2007年全球音頻放大器市場產值已突破10億美元，

其中AB類音頻放大器約占整體出貨量的60歸但未來數年內，在手機、筆記本

電腦與家庭影音系統等應用的貢獻下，放大器的成長將快速攀升，預估D類放

大器的產值至2011年將可較2006年增長兩倍。另根據市場研究機構Gartner

的預測，全球D類音頻放大器市場規模將從2006年的3.34億美元成長到2011

年的6.88億美元，年復合成長率高達15.6沆

在這波增長中，最主要的驅動力來自液晶電視(LCDTV),而估計2009年全

球液晶電視出貨量仍可望成長25%,達1.26億，以此為基礎，D類放大器的增

長自然是水漲船高。同樣根據Gartner的報告，平板電視領域的D類音頻放大

器的年銷售額將在2011年增長至3.59億美元，年復合成長率達14.7虬除了

液晶電視等大功率需求在近幾年的明顯提升外，隨著D類和AB類放大器價差的

接近，中低功率的應用，例如立體收音機、手機及筆記本電腦等也是不可忽視

的成長力量，這些也是目前臺灣地區模擬IC公司主攻的市場。

在手機方面，隨著手機喇叭輸出功率越來越高，且D類放大器價格愈趨下降，D

類放大器全面取代AB類放大器已是指日可待。在筆記本電腦市場情況亦然，D

類放大器可節省功耗，對于亟需延長電池壽命的筆記本電腦而言無疑是較佳的

選擇。

探究D類放大器產業生態，數年前該市場幾乎是德州儀器、意法半導體、亞

德諾(ADI)、美國國家半導體等外商盤踞的局面，其中尤以德州儀器市占率最高。

不過，近幾年隨著臺灣地區模擬業者的研發漸有成果，加上該地區晶圓代工業

者提供模擬及混合信號制程的能力精進，使得臺灣地區IC設計業者也能成功推

出相關產品，例如瑞昱、茂達、普誠、德信、晶豪與震一等。

據茂達科技介紹，該公司于兩年前推出D類放大器，目前在臺灣地區手機代

工市場的占有率已達四分之一，另外的應用領域則包括便攜式設備、便攜式導

航裝置(PND)、液晶電視與顯示器以及筆記本電腦等，其中尤以家用音響市場為

主攻領域，如iPod擴充基座(Docking)等應用。其中，型號APA2600的D類音

頻放大器IC為采用薄型TQFN3x3-16無鉛封裝及新式調制方式，可有效節省PCB

3

面積。其轉換效率高達86%,無需外接散熱片，輸出功率在電源為5伏特時，4

歐姆喇叭為2.8W；全差動結構與全橋式輸出具備高效噪聲抑制能力，具備短路

及過熱保護。

普誠科技也鎖定手機、便攜式電子產品等領域。該公司所推出的立體聲音

頻功率放大器PT2004與同類型產品TPA2012管腳兼容，是一款無需濾波器的

2.2瓦立體聲D類音頻功率放大器，設有完善的沖擊聲抑制功能，可有效消除

開/關機時的噪聲。由以上廠商的產品導向可知，臺灣地區D類音頻放大器IC

多應用于手機及便攜式產品，至于高功率領域則仍由外商把持。不過，成立于

2001年的德信科技在2006年推出手機用D類音頻放大器后，2007年發表2.7

瓦、雙聲道、免濾波式D類放大器，并于2008年下半年推出10W產品EUA2101,

它是一顆擁有雙通道橋接式(BTL)組態的高效率D類功率放大器。其輸出功率在

操作電壓為12V且輸出負載為8歐姆喇叭環境中，當總諧波失真為10%時可連

續輸出10W的功率。同時芯片內部也具備短路保護及過溫保護電路等機制，以

避免在錯誤的操作條件下芯片被毀損。此外，該公司現正規劃20瓦以上的高功

率D類放大器產品線。

得注意的是，相較于國外大廠具備與DSP整合的能力，臺灣地區方面僅有瑞

昱推出DSP整合方案。瑞昱半導體在2008年曾發表D類音頻放大器芯片ALC113、

嵌入D類音頻放大器的HD音效芯片ALC889,高整合型HD音效芯片ALC269等。

其中，ALC113是一高度整合、具立體聲效果的D類音頻放大器芯片，可支持達

四組音頻輸入，同時通過12c控制接口，可進行輸出增益調節、音量調整等功

能。瑞昱半導體音頻產品經理王柏智特別指出，這是第一個結合了多音頻輸入

和耳機放大器的高效能立體聲效果D類音頻放大器。至于ALC269則是一高度整

合型高清音效芯片。ALC269結合了內建喇叭所需要使用每聲道2瓦特的D類立

體聲音頻放大器，可讓筆記本電腦制造商縮減物料成本，提供了外部線路精簡

的設計，并縮小音效應用線路布局面積⑻。

1.4本文的組織結構

本文的內容安排如下

1簡介了D類功率放大器的發展前沿和應用領域，介紹了其突出的優點。

2對比介紹了各種傳統功率放大器和D類功率放大器的原理和特點。

3詳細介紹了電路中各個部分的設計電路,工作原理和模擬結果。

4本文的結論部分，對整個論文工作進行系統的總結，對于下一步的工作提出

自己的看法。

4

2功率放大器原理

2.1音響基礎知識

2.1.1聲音的基本特性

音量：它與聲波的物理量“振幅”有關，聲波的振幅大，人耳就感覺聲音

響，音量大，反之，則聲音輕，音量小，音量的大小是人耳聽音的主觀感覺。

音調：是人耳對聲音調子高低的主觀感覺，聲調的高低與聲音的物理量“頻

率”對應。

人耳的聽覺范圍：20Hz—20KHz稱之為可聽聲，低于20Hz稱為次聲，高于

20KHz稱為超聲，人耳對3KHz—4KHz的聲音最為敏感。

音色：又叫做音品或音質，它是由聲音的波形決定的，電子管功率放大器

的偶次諧波多，奇次諧波少，聲音柔美，甜潤，晶體管功放奇次諧波多，聲音

冷艷，清麗⑻。

2.1.2音響的結構及參數

前置放大器和功率放大器，前置放大器承擔控制任務為主，對各種節目源

信號進行選擇和處理，對微弱信號將其放大到0.5—1V,進行各種音質控制，

以美化音色。功率放大器，承擔放大義務，是將前置放大器輸出的音頻信號進

行功率放大，以推動揚聲器發聲。有電壓放大和電流放大之分，要求是宏亮而

不失真。

2.1.3放大器的技術指標

(1)額定功率

音響放大器輸出失真度小于某…數值(VI%)的最大功率成為額定功率,

表達式：&,U。為負載兩端的最大不失真電壓，Ri為額定負載阻抗。

其測量條件為信號發生器輸出頻率為1KHZ,電壓Ui=20mV的正弦信號。功

率放大器的輸出端接額定負載電阻RL(代替揚聲器)，輸入端接U，逐漸增大輸

入電壓直到U。的波形剛好不出現失真，此時對應的輸出電壓為最大輸出電

壓。測量后應迅速減小心,以免損壞功率放大器。

(2)頻率響應

放大器的電壓增益相對于中音頻f。(lKHz)的電壓增益下降3dB時所對應

5

的低音音頻九和高音音頻。稱為放大器的頻率響應。

測量條件如下：調節音量控制器使輸出電壓約為最大輸出電壓的50%,輸

入端接音調控制器，使信號發生器的輸出頻率從20Hz-20KHz（保持U,=20mV不

變）測量負載電阻上對應的輸出電壓U。。

（3）輸入靈敏度

使音響放大器輸入額定功率時所需要的輸入電壓（有效值）成為靈敏度。

（4）噪聲電壓

使輸入為零時;輸出負載史上的電壓稱為噪聲電壓。測量時使輸入端對地

短路，音量電位器為最大值，用示波器觀察輸出負載R.的電壓波形，用交流電

壓表測量其有效值。

（5）信噪比

信噪比是指聲音信號大小與噪聲信號大小的比例關系，將攻放電路輸出聲

音信號電平與輸出的各種噪聲電平之比的分貝數稱為信噪比的大小

（6）輸出阻抗

功放輸出端與負載（揚聲器）所表現出的等效內阻抗稱為功放的輸出阻抗。

（7）阻尼系數

阻尼系數是指功放電路給負載進行電阻尼的能力⑼。

2.2功率放大器基本理論

理想的功率放大器是將較小的功率的信號不失真放大到負載所需要的程

度。根據工作方式的不同，功率放大器可主要分為線性功率放大器和非線性功

率放大器。功放的工作原理就是將音源播放的各種聲音信號進行放大，以推動

音箱發出聲音。從技術角度看，功放好比一臺電流的調制器，它將交流電轉變

對直流電，然后受音源播放的聲音信號控制，將不同大小的電流，按照不同的

頻率傳輸給音箱，這樣音箱就發同相應大小、相應頻率的聲音了。由于考慮功

率、阻抗、失真、動態以及不同的使用范圍和控制調節功能，不同的功放在內

部的信號處理、線路設計和生產工藝上也各不相同。按當前音響消費的需求，

民用音響中的功放已基本定型為兩大類，即純音樂功放和家庭影院AV功放1⑻。

2.2.1純音樂功放

純音樂功放在設計上強調最低的信號失真，忠實地表現出音樂的場面、細

節和演奏、錄制的技巧以滿足人們對音樂的最佳欣賞要求，這就是人們常說的

HI-FI（hi-fidelity,高保真）。在設計和生產上，純音樂功放的要求極為嚴格。

6

純音樂功放品質的高低并不完全由它的技術指標所決定，不能簡單地看它標注

的功率多少高，頻響多么寬，失真多么低，而應該特別注重其設計生產工藝和

音樂的解晰力。比如技術指標并不太高的膽機就要比很多晶體管功放聲音好聽。

2.2.2AV功放

一般來說包括功放部分和信號處理部分。其功放部分原理上與傳統功放沒有

什么區別，只不過增加了幾個聲道，也就是將幾個功放結合在了一起；其信號

控制處理部分涉及信號的音頻、視頻選擇、信號解碼處理、信號聲場處理以及

收音、監聽等功能。

一般一臺高品質的AV功放首先應該在影視節目的信號處理上有較好的聲

場還原，聲道隔離度要高，氣氛渲染也不能太夸張；其次在功放部分的音質表

現上，尤其是主聲道的音質要求盡量接近較好的純音樂功放皿。

2.23功放的分類

功放一般分為前級功放、后級功放與合并級功放，所謂的合并機就是把前

級、后級集于一身的機器。其前級是用來把信號作初步放大、調節音量的；而

后級則是把前級來的信號作大量放大來推動揚聲器。

前級也分為有源及無源兩種。有源的前級是使用電源把信號放大，而無源

的前級就只有調節音量的功效。老實講，當今成功的無源前級不多，因為音源

與后級的內阻有很大分別，只靠一個音量開關把音源與后級連接起來，其內阻

的差別會使動態、細節、頻應盡失！有源的前級除了調節音量外，還可作初部

廣大及降低音源及后級間內阻之別，即用作緩沖。

后級是把從前級來的信號放大給楊聲器用的，后級必須夠力去推動揚聲器。

所謂夠力，不是指越大聲越夠力。必須有能力去支持整個樂團的大場面而不失

其細節。分開前、后級比合并機好，因為各自有更大的空間去造得更精密。而

兩者間也更少干擾，細節表現較多；而且，分開前后級會給發燒友有更多推動

機的選擇，更多東西可玩兒1⑵。

功率放大器的首要指標是效率，即輸出功率占放大器消耗功率的比，效率

越高消耗越小。另外一個重要指標是總諧波干擾（THD）,用來衡量放大后輸出

信號的保真度，THD越小信號的線性度越好，保真度越好。線性功率放大器具

有較高的線性度，但是效率較低。非線性功率放大器具有很高的效率，便于集

成，但是其保真度一般不及傳統的線性功率放大器'⑶。功率放大器的效率定義

7

為:

A

n=Axioo%(2.i)

Pi為輸出到負載的平均功率，匕為電源消耗的平均偶功率，負載上的平均功率

可以表示為：

在輸入為正弦信號Vsin(wt)的情況下，

1,sin(w，)2,V2

^av-TJ)R-2R(2.3)

信號的THD是其保真度的度量，干擾信號越大，干擾頻率分量越多THD越大。

經過功率放大后的信號不可避免的存在非線性失真。考慮一個輸入信號

%cos(wt+￡),輸出信號通過傅里葉分解而得到其各個w。倍頻的諧波分量。輸出

信號的干擾的d(t)可以表示為：

d(t)=V2cos(2w()t+02)+V3cos(3wot+03)+,,,+Vxcos(Nwot+餌)(2.4)

式中每一項為w。倍頻的諧波。這時輸出信號的THD可以表示為：

(2.5)

2.3傳統功率放大器

傳統功率放大器根據其工作方式和導通角的不同可以分為A類，B類，AB

類和C類。A類功率放大器在整個信號周期內導通，導通角為360度。B類功率

放大器在半周期內導通，即導通角問為180度。AB類功率放大器則介于兩者之

間，即其導通角在略大于180度而遠小于360度的范圍內。C類功率放大器的

導通角則小于180度1⑷。

2.3.1A類功率放大器

A類功率放大器具有最小的失真，但同時其效率也最低。A類功率放大器中的

晶體管始終偏置在開啟下，在整個信號周期內導通，導通角為360度，靜態工作

點Q置于負載線的中心，具有最大的線性范圍。A類功率放大器最大的特點是信

號失真最小，具有最好的保真度，所以適合使用在高質量的音響設備中。A類功

8

率放大器中輸出級的晶體管偏置電流大于輸入流，始終都有靜態電流和功耗。巨

大的功耗使得這類功率放大器需要較多的散熱設備，從而使其大而笨重，價格也

很昂貴。假設輸出信號為-sin(wt),輸出到負載上的平均功率可表示為

2加=%。4+誓sin(皿)力=VDD1Q=P,S(2.7)

由電源提供的平均功率為VDDIQ,其中IQ為Q點的偏置電流。

=PDD+Pss=2VDD1Q(2.8)

其中Pg和Pss分別為正負電源消耗的功率。可得A類功率放大器的效率為

n=-——xx100%(2.9)

4IQRIVCCJvcc)

當VP=Vcc且％=1武時A類功率放大器具有最大的功率

(2.10)

十C

VC

4

圖2.1A類功率放大器

2.3.2B類功率放大器

B類功率放大器相對于A類功率放大器具有較高的效率，但其代價是有較大

的信號失真。B類功率放大器的輸出級功率晶體管的靜態偏置電流為零，僅在

信號周期內導通，即導通角為180度。在正弦信號每半周期內，上下兩個晶體

管只有一側導通，理論上沒有兩個晶體管同時導通的情況發生。B類功率放大

器正負電源提供的電流為半正弦波，在忽略交越失真的情況L輸出到負載的

9

平均功率可經計算得:

(2.11)

則B累功率放大器的效率為:

XL

萬力

2RL

n=—(2.12)

2%

兀

當V產V/時，B累功率放大器具有最大的效率

TT

M=7=78.5%

(2.13)

圖2.2B類功率放大器

當輸入信號在零附近時，B類功率放大器兩側的晶體管會存在同時閉合的現象，

引起輸出信號的失真，這種現象稱為B類功率放大器的交越失真。交越失真相當

于丟失了部分的輸入信號，嚴重干擾了輸出信號的性能所以B類功率放大器的

輸出信號的THD要大于A類功率放大器。B類功率放大器主要用于對功耗要求較

高而對保真度要求一般的場合1⑸。

10

2.3.3AB類功率放大器

AB類功率放大器則介于兩者之間，導通角在180度到360度之間，略大于

180度到360度之間，兼顧了兩者的效率和失真度。AB類功率放大器在一個信

號周期內，大部分時間那只有一側的晶體管導通，但是在輸入信號接近零時，

兩側的晶體管會同時處于導通，這時有…部分偏置電流存在，多損耗了一小部

分功率，但是這樣的工作方式能夠大大降低零輸入附近的交越失真。AB類功率

放大器相對于A類的非線性失真，保證了較好的線性度。這樣的優異能使得AB

類放大器成為絕大多數功率放大器設計中的選擇。

2.3.4C類功率放大器

C類功率放大器與AB類功率放大器工作情況相反，其導通角小于180度。

這使其具有比B類功率放大器更高的效率，一般可接近90%,適用于對功耗要

求極高的場合。但是較小的導通角給信號引入更大的失真。

2.4D類功率放大器概論

以上各類放大器介紹可知，影響放大器效率的基本因素是無信號時的工作電

流，所形成的直流功率損耗。無信號時電流愈大則直流損耗越大，效率越低。

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為此，要提高效率則應降低工作點，當無信號輸入時，也沒有直流損耗。但是,

信號導通角逾小波形的失真則愈大，輸出信號中諧波成分增加，這兩個要求是

相互矛盾的。

如果輸入波形其他邊沿很陡峭，降低工作點后，對導通角影響很小，那么

失真劣化不大而效率又可以得到提高。波形陡峭的極端狀態時輸入信號為矩形

波，這種波形，無論偏置如何變化，由于前后邊沿是垂直升降的，導通狀態都

不會發生變化，這樣就誕生了工作于脈沖放大狀態的D類功率放大器。

D類放大器工作于開關狀態，無信號輸入時無電流，而導通時，沒有直流

損耗。事實上由于關斷時器件尚有微小漏電流，而導通時器件并沒有完全短路，

尚有一定的管壓降，故存在較少直流損耗，效率不能達到100%,實際效率在

80%?90%,是實用放大器中效率最高的。正是由于D類放大器的效率高，100

瓦輸出的設備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個平方厘米，連電路板都可

以做的很小，大大減小了體積和重量。并且由于工作比音頻高10余倍的脈沖狀

態，電源整流紋波對電路工作影響會很小⑼.

D類功放放大的晶體管一經開啟即直接將其負載與供電器連接，電流流

通但晶體管無電壓，因此無功率消耗。當輸出晶體管關閉時，全部電源供應電

壓即出現在晶體管上，但沒有電流，因此也不消耗功率，故理論上的效率為百

分之百。D類功放放大的優點是效率最高，供電器可以縮小，幾乎不產生熱量，

因此無需大型散熱器，機身體積與重量顯著減少，理論上失真低、線性佳。但

這種功放工作復雜，增加的線路本身亦難免有偏差，所以真正成功的產品甚少,

售價也不便宜。有一些D類功放集成塊音色音質很好，不過它們現在還只應用

在汽車音響中，一些有興趣的DIY高手把它們改制到了家用音響中‘⑶。

一部功放從外表雖然不能斷定音質，但如能觀察到供電變壓器和濾波電容

的大小，便已先對此機的性能或素質略知一二。A類功固然需要巨大的供電器,

即使AB類機也是愈大愈好。今日許多優質功放都采用環形變壓器，取其效率較

方型變壓器高而漏磁少。濾波電容等于水塘，儲水量越多，供水量越足，功放

的供電充足穩定，才能保證輸出晶體管輸出最大時仍有取之不盡的電能。許多

英國制造的合并式功放雖然功率并不太大，但卻有…個非常充沛的供電器，配

合簡單的訊號通道可以達成優異的聲音。有些產品的面板上除了音量、平衡、

訊源選擇和電源掣外，其它的控制全部取消，令訊號通道盡量縮短。為追求聲

音純美，不惜犧牲控制功能。

當前的電子器件傾向于便攜和小的尺寸，音頻功率放大器采用了D類技術,

D類功率放大器由于它的高效率，理論上可以達到100%,而受到關注。D類放

大器的輸出級是CMOS的功率晶體管組成，提供揚聲器負載需要的大量的電流，

這些晶體管工作在或者是截止狀態，或者是線形區，而不是飽和區，由于晶體

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管只是工作在周期間的一小部分是激活的，減小了開關的導通損耗。高的效率

也因此成為可能，效率受D類輸出級的晶體管的導通電阻(Ron)影響［⑷。

圖2.3D類音頻功率放大器的結構框圖

圖2.3是D類功率放大器的簡單框圖，D類音頻功率放大器在工作方式上與產

生控制PWM電壓信號的開關電源相似。圖2.4所示為一般的D類音頻功率放大

器的組成情況，它主要是由PWM波產生電路，功率放大電路，濾波電路和負反

饋電路四部分組成。

圖2.4一般D類功率放大器的總體結構

D類音頻功率放大器根據開關放大器的工作方式不同，又分為兩種類型：

電壓開關型D類功率放大器：使放大器工作時，開關上的電壓波形為方波。電

流開關型D類功率放大器：使放大器工作時，開關上的電流波形為方波。

D類功率放大器在設計上必須要注意的包括過電流保護及過熱保護，此二

保護電路為功率IC或功率放大器所必備，否則將造成安全問題，甚至傷及其所

連接之電源器件或整個系統。過電流保護或短路保護的簡單測試方式乃將任一

輸出端與電源端(Vcc)或地端(Ground)短路，在此狀況下短路保護電路將被啟動

而將輸出晶體管關掉，此時將沒有訊號驅動喇叭而沒有聲音輸出。由于輸出短

路是屬于一種嚴重的異常現象，在短路之后要回到正常的操作狀態必需重置

(Reset)放大器，有些IC則可在某一延遲(Delay)時間后自動恢復。詳閱各IC

的datasheet即可得知各家各產品不同的作法。至于過熱保護，其保護溫度通

常設定在150℃~160℃,過熱后IC自動關掉輸出晶體管而不再送出訊號，待溫

度下降20℃或30℃之后自動回復到正常操作狀態口2

另外D類功率放大器必須要解決AB類功率放大器所沒有的EMI電磁干擾，

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電磁干擾是由于D類功率放大器之功率晶體管以開關方式操作，在高速開關及

大電流的狀況下所產生。在大多數的市場要求下此項EMI干擾必須通過FCC等

電磁干擾的規范，解決的方案是使用LC濾波器或磁珠(bead)濾波器以過濾其高

頻諧波。在此規范下EMI成為D類一個進入門坎之一，中高功率的D類功率放

大器因為EMI太強目前采用LC濾波器來解決，小功率則用Bead處理即可，但

通常還要配合PCBlayout及零件的擺設位置1⑹。

比如，采用D類放大器后，D類放大器接揚聲器的線路不能太長，這會相

當于外接了一個天線。一些公司的D類放大器僅可支持2cm,做得好的D類放

大器則可支持到10cm,比如TI的D類放大器。目前，市場上有些PDA和智能

手機的做法是采用兩個單聲道的D類，這樣設計更簡單一些，而采用立體聲D

類設計更因難，這也是后者為什么銷售狀況不是很好的主要原因。

D類功率放大器的高效率效應除了節省電源件器的成本以外亦節省電源的

浪費或電池的消耗，優化了整個材料系統及使用環境。尤其歐美國家特別重視

綠色環保，就如同高功因控制器(PFC)一樣，D類功率放大器有可能成為一種訴

求。雖然目前D類放器的價格比AB類要高出近50%多，但是，隨著D類產品的

上量，價格差別會逐漸消除。

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3系統設計

3.1PAM8610芯片簡介

龍鼎微電子公司推出的PAM8610,它是一片10W(每聲道)，無輸出LC濾波器

并且帶有直流音量控制的D類立體聲音頻放大器IC,PAM8610的新一代無濾波器

技術很好實現了低EMI,低失真以及在音頻范圍內平直的頻率響應，這種技術已

經申請了美國專利，使用PAM8610的D類音頻放大系統不僅節省了輸出量的4個

電感和電容.節省了PCB面積,而且確保了量產時音質的一致性和可靠性.目前，

PAM推出的從1W至25W功率等級的D類放大器IC.PAM8610支持全套查分輸入

和單端輸入.全查分輸入架構大大提高了其共模抑制比(CMRR)和紋波抑制比音

量控制,PAM8610內部有32級的數字音量電位器實現-40db至什36db的音量控制，

具體的音量大小由其Volume引腳的直流電壓決定，另外，可供客戶選擇的FADE

模式可以使開機音量淡入，PAM8610內部有完善的短路保護和過熱關斷功能.為

40腳的QFN6*6封裝，在IC底部的導熱銅板可以使IC的熱量迅速傳到PCB銅

箔并散失到周圍環境中，如圖3.1所示為PAM8610芯片的結構圖。

全新的電路結構，PAM8610有著優秀的主觀聽感，毫無生硬刺耳令人不快

的聲音。PAM8610在12V電源電壓，8Q負載、輸出功率5W的時候，對輸出波

形進行快速傅里葉變換，可以看到二次諧波失真為一65dB,三次諧波失真一

80dB,失真頻譜主要是偶次諧波成分。PAM8610這種類似電子管放大器的音頻

特性，可以得到溫暖甜美的音色。同時它采用領先的無濾波調制技術，沒有死

區時間的約束，可以實現小信號的精確還原。輸出級開關動作的次數只有目前

流行的無濾波調制方式的一半，其EMI特性非常優秀,⑷。

圖3.1PAM8610芯片引腳結構圖

15

3.2PAM8610性能參數

1,2*10W的D類數字功放IC。電源13V時，在保證THD小于10%的情況下，

可向8Q負載提供10W的輸出功率

2,低噪聲：-90dB

3,超過90%的效率

4,32步進直流音量控制有32分貝到-75分貝范圍，具有關機靜音及淡出功能

5,具有過流，過熱和短路保護

6,較低的THD+N設計

7,低靜態電流設計

8,雜音抑制功能

9,封裝：薄40引腳，QFN尺寸為6mm*6mm

10,無鉛環保。

3.3利用PAM8610芯片設計D類功率放大器

為了滿足器件的設計要求，應該對外部器件進行恰當的選擇。通常的設計

這里不做討論，只針對比較重要和特殊的部分做出解釋。

3.3.1系統參數

(1)電源退耦電容

D類放大器工作的時候，會以窄脈沖的形式向電源汲取電能。在評估板上，

一個大電容、低ESR的電解電容可以快速的補充能量以防止電源電壓瞬間跌落。

考慮到電解電容在高頻時電感效應增加I,在IC電源引腳旁邊就進放置小電容

MLCC電容(10uF和0.1UF并聯),以避免這些消極的影響”，

(2)BSN和BSP電容

PAM8610的輸出級的全H橋全部使用NMOS,必須使用BSN和BSP電容來保證

H橋完成開關動作。推薦使用至少220nF的電容和至少25V的耐壓。

(3)輸入電阻Ri和輸入電容C

輸入電阻同內部數字電位器一起，共同決定閉環增益。關于輸入電阻的阻值,

在PAM8610的數據手冊上有詳細的說明。為了提高共模抑制比(CMRR)和電源

抑制比(PSRR),盡量確保差動輸入端的輸入電阻匹配(誤差不超過1%)。輸入

電容和輸入電阻串聯，組成了一個高通濾波器，低頻響應就由這兩個元件決定，

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-3dB轉折頻率可以由下式得到：

fi=1/(2n&Rj

為了降低失真，要求輸入電容有比較低的交流失真和比較低的損耗，并且保

證兩個差分輸入電容匹配i⑻。

(4)C。8c和

放大器的諧振頻率由C°sc和Rose的乘積共同決定；fose=6.6/(CoscXRosc)可以

在225kHz~275kHz之間選擇，如果取R.sc=120kQ和Cosc=220pF,則整個放大器開

關頻率約250kHz0

(5)內部基準電壓源退耦電容

PAM8610的內部輸入放大器,DVC和0SC部分的電源由IC內部集成的LD0(低

壓差穩壓器)提供。這些LD0的引出腳上推薦使用1UF的退耦電容，并且盡量

靠近IC引腳。

(6)輸出鐵氧化磁珠

了限制EML需要在IC的輸出引腳上串接鐵氧化磁珠(FB)。這些磁珠需要

有足夠的低頻阻抗和盡量高的高頻阻抗，能夠承受的持續電流要大于4A。

3.3.2電源設計

在實驗室，評估板使用穩壓電源供電。一般來說，D類放大器的電源抑制比

(PSRR)比傳統線性放大器低，應該盡量保證電源有較小的紋波。由于PAM8610

有90%的高效率，電源儲備可以比線性放大器小得多，但是必須要求電源有高

速的響應，在這里，高速低串聯等效電阻(ESR)的大電容儲能電容是必須的。

一個最為便宜簡單的直流穩壓源是利用集成穩壓芯片LM7805制作的，其電路圖

如圖3.2所示：

圖3.25V穩壓電源原理圖

3.3.3EMI對策

雖然PAM8610有著優異的EMI特性，但是在系統設計中必須考慮EMI對策。

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輸出端在某些極端時刻，同揚聲器電磁電路可能形成尖鋒脈沖，這些尖峰脈沖

包含了大量高頻的能量。輸出引腳上串接鐵氧化磁珠（FB）,這些磁珠在頻率高

于1MHz的時候有很高的阻抗，可以避免高能量輻射到外部。同時，在鐵氧化磁

珠之后，輸出端和地之間跨接小電容（典型值200pF）可以進一步吸取多余的

高頻能量。在系統結構中，應該盡量減短揚聲器到放大器輸出端的引線，也可

以在引線上加上磁環以取得更好的效果。在某些應用中（例如收音機），可以將

PAM8610的放大器部分放在金屬屏蔽罩內以獲得最佳的EMI特性:⑼。

3.3.4PAM8610測量

直接在PAM8610的輸出引腳上看不到真實的信號波形。在實驗室，必須使

用美國AudioPrecision公司的AUX0025濾波器濾除高頻調制信號，才可以用

音頻分析儀對放大器的性能進行計量。AUX0025在20Hz—20kHz有平直的頻

響和相位曲線，在20kHz后頻響曲線急劇的下跌，以濾除高頻信號。

業余條件下，可以使用簡單的RC濾波器濾除高頻調制信號.RLOAD為負

載電阻（通常為8Q）,電阻R1和C1組成一個簡單的濾波器。使用數字存儲示

波器的兩個通道在TESTPOINTP和TESTPOINTN兩個測試點上分別可以看

到正、負半周的信號，利用MATH功能將兩個通道想減，就可以看到放大后的

信號波形。

使用簡單的RC濾波器濾除高頻調制信號.RLOAD為負載電阻（通常為8Q）,

電阻R1和C1組成一個簡單的濾波器。使用數字存儲示波器的兩個通道在TEST

POINTP和TESTPOINTN兩個測試點上分別可以看到正、負半周的信號，利用

MATH功能將兩個通道想減，就可以看到放大后的信號波形。如圖3.3所示：

TESTPOINTP

610OUTPT器k/

Cl,L

RLOADH-

C2.

ilOOUTNJ,01

JTESTPOINTN

圖3.3RC濾波器

當然濾波器也可由兩個電感，電容和一個電阻組成。功率輸出器輸出的信號送

入該濾波器的左端的兩個輸入端，右端接揚聲器發聲。當然對于高電感的揚聲

器可以省去該濾波電路，而直接接功率輸出電路的輸出端。如圖3.4所示