【正文】 A 類、 AB 類、 B 類、 C 類、 D類。在音頻功放領(lǐng)域中，前四類均可直接采用模擬音頻信號(hào)直接輸入，放大后將此信號(hào)用以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。 D 類放大器比較特殊，它只有兩種狀態(tài)，不是通就是斷。因此，它不能直接輸入模擬音頻信號(hào)，而是需要某種變換后再放大。 1. A 類放大器 我們略去電路直接從特性曲線來(lái)討論工作狀態(tài)，見圖 31中左邊為晶體管輸入特性，固定置偏 所形成的工作點(diǎn)在 Q點(diǎn)，當(dāng)正弦音頻信號(hào)輸入時(shí)，其幅度未超出線性范圍，集電極工作狀態(tài)處于截止區(qū)和飽和點(diǎn)之內(nèi)，集電極電流為完整的全周導(dǎo)通的正弦波，此時(shí)導(dǎo)通角為 180 度， (導(dǎo)通角是以最小值至最大值之間占全周的部分來(lái)計(jì)算，全周導(dǎo)通時(shí)為 180 度 )。這種放大狀態(tài)失真度較小，只受器件特性曲線的影響，若器件線性好則失真最小，但是，當(dāng)無(wú)交流輸入時(shí)，有約一半幅度 (Q 點(diǎn) )的直流電流，其損耗為 ICO VCC ，故效率是最低的，低于 50%，所以這種 A類功率放大僅用于很小功率的收音機(jī)，助聽器中，也有用于高級(jí)的 HiFi功放中。 圖 31 A類放大器 2. B 類放大器 10 圖 32 B 類放大器 靜態(tài)置偏為 Q 點(diǎn)，處于截止點(diǎn)上，因此信號(hào)輸入時(shí)，只有半周導(dǎo)通 (導(dǎo)通角為 90 度 ) ，如圖 32所示， 。集電極輸出半個(gè)正弦波。這種狀態(tài)失真度就很大了，所以一般乙類放大器都用雙管做成推挽式，每管工作半周構(gòu)成完整的正弦波以減少失真。乙類狀態(tài)的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)信號(hào)時(shí)原則上沒有直流電流，因而沒有直流功率損耗，效率超過(guò) 50%， 但由于曲線起始端的非線性，常將推挽放大器的兩管均少量正向置偏，其導(dǎo)通角大于半周，故效率不能做得很高達(dá) 60%70%.工作介于AB之間，故又稱 AB 類功放。其情況如圖 33, 34。 圖 33 推挽電路形式 iCQUCCuCEO( b )11 圖 34 AB 類放大和 B類放大 3. C 類放大器 情況如圖 35，靜態(tài)置偏點(diǎn)在截止點(diǎn)之下，當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)只有超過(guò)偏置點(diǎn)部分管子才導(dǎo)通 (導(dǎo)通角小于 90 度 )，效率更高，但由于失真過(guò)大，難用于音頻功放，多用于高頻功放作為倍頻用，集電極電流呈脈沖狀，諧波豐富，再用高 Q電路調(diào)諧于基波頻率，濾處諧波成分，使輸出完整波形的正弦波。 C 圖 35 C 類放大 器 4. D 類放大器 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(wú)信號(hào)時(shí)的工作電流，所形成的直流功率損耗。無(wú)信號(hào)時(shí)電流愈大則直流損耗大，效率低。為此，要提高效率則應(yīng)降低工作點(diǎn)，使無(wú)信號(hào)時(shí)，無(wú)直流損耗。但是，信號(hào)導(dǎo)通角逾小Vce Ic Ib=0 Q IB VBE IB VBE 12 波形失真則愈大，輸出信號(hào)中諧波成分增加，這兩個(gè)要求矛盾。 如果輸入波形其他邊沿很陡直，降低工作點(diǎn)后，對(duì)導(dǎo)通角影響很小，那么失真劣化不大而 效率又可以提高。波形陡直的極端狀態(tài)時(shí)輸入信號(hào)為矩形波，這種波形，無(wú)論偏置如何變化，由于前后沿是垂直升降的，導(dǎo)通狀態(tài)都不會(huì)變化，這樣就誕生了工作與脈沖放大狀態(tài)的 D 類放大器。 D類放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，無(wú)信號(hào)時(shí)無(wú)電流，而導(dǎo)電時(shí)，沒有直流損耗。事實(shí)上由于關(guān)斷時(shí)器件尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時(shí)，器件并未完全短路，尚有一定管壓降，故存在較少直流損耗，效率不能達(dá) 100%，實(shí)際在 8090%,是實(shí)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(shè)備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個(gè)平方厘米，電路板可作的很小， 大大減少了體積重量。并且由于工作比音頻高 10余倍的脈沖狀態(tài)，電源整流紋波對(duì)電路工作影響很小。 D類放大器與線性音頻放大器（如 A類、 B 類和 AB 類）相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。對(duì)于線性放大器（如 AB 類）來(lái)說(shuō)，偏置原件和輸出晶體管的線性工作方式會(huì)損耗大量功率。因?yàn)?D 類放大器的晶體管只是作為開關(guān)使用的，用來(lái)控制流過(guò)負(fù)載的電流方向，所以輸出級(jí)的功耗極低。 D類放大器的功耗主要來(lái)自輸出晶體管導(dǎo)通阻抗、開關(guān)損耗和靜態(tài)電流開銷。放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。 D 類放大器對(duì)散熱器的要求大為降低，甚至可以省去散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應(yīng)用。 近年來(lái)，受以下兩個(gè)主要因素的影響，這樣的局面正逐漸扭轉(zhuǎn)，使 D類放大器在很多應(yīng)用領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。 首先，是市場(chǎng)需要。 D類放大器的某些優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)了手機(jī)和 LCD 平板顯示器這兩個(gè)終端設(shè)備市場(chǎng)的迅速發(fā)展。對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，揚(yáng)聲器和 PTT (PushtoTalk，一鍵通 )模式需要 D 類放大器的高效率，以延長(zhǎng)電池壽命。 LCD 平板顯示器的發(fā)展對(duì)電子器件提出了“低溫運(yùn)行 (cool running)”的需求，這是由于工作溫度的升高將影響顯示顏色對(duì)比度。而 D 類放大器的高效率意味著驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備時(shí)功耗更低 ，使 LCD平板顯示器工作時(shí)發(fā)熱更少，圖像顯示效果更好。影響 D類放大器應(yīng)用的第二個(gè)因素便是自身技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)市場(chǎng)需要，一些制造商改進(jìn)了 D 類放大技術(shù)，使 D類放大器具有更理想價(jià)格的同時(shí)，也具備了與 AB 類放大器相近的音頻性能。此外，一些新型的 D 類放大器輸出調(diào)制方案還可以降低實(shí)際應(yīng)用的 EMI。 13 4 D 類功放的原理及仿真 D 類功放的工作原理 D類功率放大器的原理，首先將脈沖編碼調(diào)制（ PCM， Pulse Code Modulation）音頻數(shù)據(jù)流通過(guò)專門的等比特?cái)?shù)字處理器（ EquibitDSP）變換為脈寬調(diào) 制（ PWM，Pulse Width Modulation）的數(shù)據(jù)流。采用脈寬調(diào)制后，音頻信號(hào)便成為一系列的用“ 0”和“ 1”表示的寬度可變的脈沖串，脈沖的寬度越寬，信號(hào)的幅度就越大。將這些脈寬調(diào)制的數(shù)據(jù)流去推功率放大器的常規(guī)晶體輸出管。由于受到脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)流的作用，晶體輸出管將迅速地時(shí)而飽和導(dǎo)通工作，時(shí)而截止不工作。晶體管導(dǎo)通工作時(shí)間越長(zhǎng)，信號(hào)幅度便越大，于是晶體輸出管為揚(yáng)聲器提供的電流也時(shí)而因管子導(dǎo)通而有電流流過(guò)，時(shí)而因管子截止而沒有電流流過(guò)，音頻信息便包含在這些接通、斷開的周期過(guò)程中。脈沖串在由晶體管放大 后，便由 LC 低通濾波器進(jìn)行平滑處理，從而恢復(fù)為原有的音樂(lè)波形。 D 類放大器的電路工作方式為開關(guān)狀態(tài)，作為放大音頻正弦信號(hào)，還需模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將音頻模擬信號(hào)先變?yōu)槊}沖方波，從而進(jìn)行放大。其原理方塊圖如圖 41,波形圖如圖 42。 圖 41 D 類放大器的原理方塊圖 輸出 A / D LPF 輸入 D/ A 14 圖 42 將正弦波變?yōu)槊}沖波的脈寬調(diào)制電路 從圖 41 的結(jié)構(gòu)可知，兩個(gè)放大器反相連接，實(shí)際上構(gòu)成推挽狀態(tài)，起到 開關(guān)作用去控制與電源串聯(lián)的負(fù)載回路 (RL)，低通濾波器 LPF可以濾去脈沖波的高頻部分，得到基波成分，所以實(shí)際上成為數(shù) /模 (D/A)轉(zhuǎn)換電路，重新將脈沖波還原成為正弦波。從電路看，當(dāng)兩支形狀短路阻抗為 0，開路阻抗為無(wú)窮大時(shí)，電路效率 100%。因?yàn)閾P(yáng)聲器是感性負(fù)載，對(duì)于高電感的揚(yáng)聲器如中頻揚(yáng)聲器， D類功放可以不用低通濾波器，直接與揚(yáng)聲器相聯(lián)。 圖 42表示如何將正弦波變?yōu)槊}沖波，讓脈沖波的寬度受正弦波幅度調(diào)制，稱為 PWM 信號(hào)，即“脈寬調(diào)制”信號(hào)。這里沒有應(yīng)用一般概念的 A/D 變換電路，而是用一個(gè)幅度與放大的正弦信 號(hào)近似的三角波，共同作為變換器輸入，相當(dāng)于反相比較器。當(dāng)三角波幅度大于正弦波幅部分，變換電路輸出 1；而三角波幅小于正弦波幅處，變換電路均輸出 0；這樣即將輸入的正弦信號(hào)變?yōu)閷挾入S正弦信號(hào)波幅變化的 PWM 波。 D類功放使用的開關(guān)管采用功率型 MOSFET，即大功率場(chǎng)效應(yīng)管，并為保證足夠的激勵(lì)電壓而設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路，使 FET 能充分的開啟和關(guān)斷。 圖 43是 PWM 波的頻譜，當(dāng)放大單一頻率正弦時(shí)，其頻譜中除低頻段存在與輸入信號(hào)同頻率的基波成分外，還存在各次諧波的頻譜。因此用 LPF低通濾波器就可以濾去高頻諧波而得到正 弦基波成分，因此，可使數(shù)模轉(zhuǎn)換電路非常簡(jiǎn)化。 15 圖 43 PWM 波的頻譜 D 類功放的 EDA仿真 EDA 仿真概述 EDA（ Electronic Design Automation ）是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成功的電子 CAD 通用軟件包。主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作，既 IC 設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)和 PCB 設(shè)計(jì)。EDA 技術(shù)經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段的發(fā)展。從 70年代的（ CAD）階段和 80 年代的（ CAE）階段，到 90年代的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ EDA）階段。 EDA技術(shù)代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向。它不僅為電子技術(shù)設(shè)計(jì)人員提供了“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)也為教學(xué)提供了一個(gè)極為便捷的、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。電工電子類專業(yè)課程中的電工基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)都可以通過(guò) EDA仿真軟件，進(jìn)行電路圖的繪制、設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)和分析。 本課題研究時(shí)采用簡(jiǎn)單易用的 EWB 軟件，其操作簡(jiǎn)單、直觀，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求低，特別適合初學(xué)者和在校的學(xué)生使用。 圖 4－ 4 給出了電路建模 EDA 仿真分析時(shí)一般的步驟根據(jù)流程圖的步驟 ，重點(diǎn)應(yīng)該做好課題建模、儀器的連接、運(yùn)行仿真試驗(yàn)、分析結(jié)果等工作。建模過(guò)程中，各級(jí)電路的元器件參數(shù)選擇必須 準(zhǔn)確，應(yīng)防止節(jié)點(diǎn)的虛脫和注意地端的連接。測(cè)試儀器的使用，應(yīng)注意相關(guān)的對(duì)話框設(shè)置，做到各項(xiàng)選擇符合其電路要求。運(yùn)行仿真試驗(yàn)的目的就是得出分析數(shù)據(jù)、電路波形特性及各種相關(guān)參數(shù)。 f 輸 入 信 號(hào)的頻率 諧波頻譜 16 Y N 元件參數(shù)調(diào)整 仿真測(cè)試 確定研究課題 仿真建模 設(shè)定測(cè)試點(diǎn) 及要求 選定測(cè)試儀器 仿真測(cè)試 數(shù)據(jù)綜合 分析結(jié)果 圖 4－ 4 EDA 仿真分析 流程圖 D 放大器原理仿真概述 根據(jù)上面的研究， D 類音頻功率放大器主要有三角波發(fā)生器、電壓比較器、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路和低通濾波器構(gòu)成，現(xiàn)將仿真電 路設(shè)計(jì)如下。 圖 4－ 5 D類放大器的仿真電路 17 其中輸入信號(hào)為 1KHz 的正弦波，抽樣信號(hào)為 200KHz 由的三角波，由 EWB中的信號(hào)發(fā)生器提供，幅度為 2V，占空比為 50％；電壓比較器采用 EWB 中的理想運(yùn)算放大器，輸出的極值為－ 5V～＋ 5V；場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路采用理想場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的開關(guān)放大電路；低通濾波器為 LC 二階濾波器。 輸入信號(hào)抽樣―― PWM 波的形成仿真 圖 4－ 6 PWM 波的形成仿真 輸出信號(hào) PWM 波的頻譜仿真分析 圖 4－ 7 傅里葉分析的設(shè)置 18 D 類功放的優(yōu)點(diǎn) 在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級(jí)包含提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的晶體管。實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型包括 A 類放大器， AB 類放大器和 B 類放大器。與 D 類放大器設(shè)計(jì)相比較，即使是最有效的線性輸出級(jí)，它們的輸出級(jí)功耗也很大。這種差別使得 D類放大器在許多應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈凸漠a(chǎn)生熱量較少，節(jié)省印制電路板 (PCB)面積和成本，并且能夠延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。 和模擬功率放大器相比較， D類功率放大器有以下明顯優(yōu)勢(shì)： （ 1）直接接收 CD、 DVD 等數(shù)字音源輸出的同軸或光纖數(shù)字音頻信號(hào)，直接以數(shù)字 信號(hào)進(jìn)行放大，體現(xiàn)了與數(shù)字音源的完美結(jié)合。 （ 2）高、中、低頻無(wú)相對(duì)相移，聲音清晰透明，聲像定位準(zhǔn)確。由于采用無(wú)負(fù)反饋的放大電路、數(shù)字濾波器等處理技術(shù)，可以將輸出濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)得較高，從而保證在 20Hz~20kHz 內(nèi)得到平坦的幅頻特性和很好的相頻特性。 （ 3）瞬態(tài)響應(yīng)好，即“動(dòng)態(tài)特性”好。由于它不需傳統(tǒng)功放的靜態(tài)電流消耗，所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲(chǔ)備，加之無(wú)模擬放大、無(wú)負(fù)反饋的牽制，故具有更好的“動(dòng)力”特征。 （ 4）無(wú)過(guò)零失真。傳統(tǒng)功放一般都存在由于對(duì)管配對(duì)及各級(jí)調(diào)整不佳產(chǎn)生的過(guò)零、交越失真 。 （ 5）能量轉(zhuǎn)換效率極高，體積小，可靠性高。耗電量?jī)H為同功率等級(jí)模擬放大器的三分之一。其電源使用效率高達(dá) 90%以上，節(jié)約能源，也符合環(huán)保要求。而 B 類放大器效率僅為 78%（理論值）， A類功放的效率就更低。由于 D 類功放極高的效率，半導(dǎo)體器件的溫升明顯減小，失真率也就顯著減小。 （ 6）適合于大批量生產(chǎn)。產(chǎn)品的一致性好，生產(chǎn)中無(wú)需調(diào)試，只要保證元器件正確安裝即可。 19 5 D 類功放的硬件設(shè)計(jì) D 類功放的設(shè)計(jì)原理 在音響領(lǐng)域里人們一直堅(jiān)守著 A 類功放的陣地。認(rèn)為 A類功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。但 是， A類功放的低效率和高損耗卻是它無(wú)法克服的先天頑跌。 B類功放雖然效率提高很多，但實(shí)際效率僅為 50％左右，在小型使撓式音響設(shè)備如汽車