【正文】 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，信號幅度便越大，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，時(shí)而因管子截止而沒有電流流過，音頻信息便包含在這些接通、斷開的周期過程中。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，還需模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將音頻模擬信號先變?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。輸出A / DLPF 輸入D/ A圖41 D類放大器的原理方塊圖圖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，開路阻抗為無窮大時(shí)，電路效率100%。因?yàn)閾P(yáng)聲器是感性負(fù)載，對于高電感的揚(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，即“脈寬調(diào)制”信號。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變?yōu)閷挾入S正弦信號波幅變化的PWM波。D類功放使用的開關(guān)管采用功率型MOSFET，即大功率場效應(yīng)管，并為保證足夠的激勵(lì)電壓而設(shè)有驅(qū)動電路，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)換電路非常簡化。f輸入信 號的頻率諧波頻譜圖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，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。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)采用簡單易用的EWB軟件，其操作簡單、直觀，對計(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。建模過程中，各級電路的元器件參數(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。測試儀器的使用，應(yīng)注意相關(guān)的對話框設(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)。YN元件參數(shù)調(diào)整仿真測試確定研究課題仿真建模設(shè)定測試點(diǎn)及要求選定測試儀器仿真測試數(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、場效應(yīng)管驅(qū)動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其中輸入信號為1KHz的正弦波，抽樣信號為200KHz由的三角波，由EWB中的信號發(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；場效應(yīng)管驅(qū)動電路采用理想場效應(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。 輸入信號抽樣――PWM波的形成仿真圖4－6 PWM波的形成仿真 輸出信號PWM波的頻譜仿真分析圖4－7 傅里葉分析的設(shè)置 D類功放的優(yōu)點(diǎn)在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時(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，它們的輸出級功耗也很大。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，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： （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，直接以數(shù)字信號進(jìn)行放大，體現(xiàn)了與數(shù)字音源的完美結(jié)合。 （2）高、中、低頻無相對相移，聲音清晰透明，聲像定位準(zhǔn)確。由于采用無負(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備，加之無模擬放大、無負(fù)反饋的牽制，故具有更好的“動力”特征。 （4）無過零失真。傳統(tǒng)功放一般都存在由于對管配對及各級調(diào)整不佳產(chǎn)生的過零、交越失真。 （5）能量轉(zhuǎn)換效率極高，體積小，可靠性高。耗電量僅為同功率等級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)中無需調(diào)試，只要保證元器件正確安裝即可。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)備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大功率功放場合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，效率極高的D類功放，因其符合綠色華命的潮流正受著各方面的重視。由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，原來用分立幾件制作的很復(fù)雜的調(diào)制電路，現(xiàn)在無論在技術(shù)上還是在價(jià)格上均已不成問題。而且近年來數(shù)字音響技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)D類功放與數(shù)字音響有很多相通之處，進(jìn)一步顯示出D類功放的發(fā)展優(yōu)勢。D類功放是放大力件處于開關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無倍號輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入信號讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通*理想晶體管因?yàn)闆]有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場合。在理想情況下，D類功放的效率為100％，B類功放的效率為78．5％，A類功放的效率才50％或25％(按負(fù)載方式而定)。D類功放實(shí)際上只具有開關(guān)功能，早期僅用于繼電器和電機(jī)等執(zhí)行元件的開關(guān)控制電路中。然而，開關(guān)功能(也就是產(chǎn)生數(shù)字信號的功能)隨著數(shù)字音頻技術(shù)研率的不斷深入，用于Hi—F1音頻放大的道路卻口益暢通。20世紀(jì)60年代，設(shè)計(jì)人員開始研究D類功故用于音頻的放大技術(shù)，70年代Bose公司就外始生產(chǎn)D類汽車功放。一方面汽車用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無法放入有大散熱板結(jié)構(gòu)的功故，兩者都希望有D類這樣高效的放大器來放大音頻信號。共今關(guān)鍵的一步就是村音頻信號的調(diào)制。圖51是D類功放的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個(gè)部分：圖51 D類功放的基本結(jié)構(gòu)第一部分為調(diào)制器，最簡單的只需用一只運(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號加上一定直流偏置后故在運(yùn)放的正輸入端，另通過自激振蕩生成一個(gè)三角形波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時(shí)，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零、直流偏置置三角波峰值的1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時(shí)間一樣，輸出就是一個(gè)占空比為1﹕1的方波。當(dāng)有音頻信號輸入時(shí)，正半周期間，比較器輸出高電平的時(shí)間比低電乎長，方波的占空比大于1：1，負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時(shí)間卻大為減少，方被占空比小于1：1。這樣，比較器輸出的波形就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形，稱為PWM(Pulse Width Modulation脈寬調(diào)制)或PDM(Pulse Duration Modulation 脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)制)波形。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。第二部分就是D類功故，這是一個(gè)脈沖控制的大電流開關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號。能夠輸出的最大功率由負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。第三部分需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。方法很簡單，只需要用一個(gè)低通濾波器。但由于此時(shí)電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用Lc低通濾波器。當(dāng)占空比大于1：1的脈沖到來時(shí)，C的充電時(shí)間大子放電時(shí)間，輸出電平上升；窄脈沖到來時(shí)，放電時(shí)間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相—致，所以原音頻傳號被恢復(fù)出來，見圖52。圖52 模擬D類功放工作原理 D類功放設(shè)計(jì)考慮的角度與AB類功放完全不同。此時(shí)功放管的線性已沒有太大意義，更重要的是開關(guān)響應(yīng)和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關(guān)響應(yīng)要好。另外，整機(jī)的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所隊(duì)飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結(jié)構(gòu)也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價(jià)格昂貴，在一定程度上限制了D類功放的發(fā)展?，F(xiàn)在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是近年來UHC MOSFET已在HiFi功放上應(yīng)用，器件的障礙已經(jīng)消除。調(diào)制電路也是D類功放的一個(gè)特殊環(huán)節(jié)。要把20KHz以下的音頻調(diào)制成PWM信號，三角波的頻率至少要達(dá)到200KHz。頻率過低達(dá)到同樣要求的THD標(biāo)準(zhǔn)，對無源LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加接近原波形，THD就小，而且可以用低數(shù)值、小體積和精度要求相對差一些的電感和電容來制成濾波器，造價(jià)相應(yīng)降低。但此時(shí)晶體管的開關(guān)損耗會隨頻率上升而上升，無源器件小的高頻損耗、射頻的趨膚效應(yīng)都會使整機(jī)效率下降。更高的調(diào)制頻率還會出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于1MHZ。同時(shí)，三角波形的形狀、頻率的準(zhǔn)確性和時(shí)鐘信號的抖晃都會影響到以后復(fù)原的信號與原信號不同而產(chǎn)生失真。所以要實(shí)現(xiàn)高保真，出現(xiàn)了很多與數(shù)字音響保真相同的考慮。還有一個(gè)與音質(zhì)有很大關(guān)系的因素就是位于驅(qū)動輸出與負(fù)載之間的無源濾波器。該低通濾被器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。嚴(yán)格地講，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)去，但作為一個(gè)功放產(chǎn)品指定音箱是行不通的，所以D類功放與音箱的搭配小更有發(fā)燒友馳騁的天地。實(shí)驗(yàn)證明，％以下時(shí)，用二階Butterworth最平坦響應(yīng)低通濾波器就能達(dá)到要求。如要求更高則需用四階濾波器，這時(shí)成本和匹配等問題都必須加以考慮。 D類功放的設(shè)計(jì)要素雖然利用D類放大器的低功耗優(yōu)點(diǎn)有力推動其音頻應(yīng)用，但是有一些重要問題需要設(shè)計(jì)考慮，包括：輸出晶體管尺寸選擇；輸出級保護(hù)；音質(zhì)處理；抗電磁干擾( EMI)；LC濾波器設(shè)計(jì)；