【正文】 通過(guò)D類調(diào)制器輸出脈沖的寬度來(lái)編碼的。一般來(lái)講，在柵極信號(hào)中的開(kāi)關(guān)時(shí)間誤差是導(dǎo)致非線性的主要原因。ⅲ開(kāi)關(guān)器件上的不必要特征，比如限定電阻，限定開(kāi)關(guān)速度或晶體二極管特性。然而，實(shí)際的D類功放并不完美并且會(huì)有失真和噪音。②互調(diào)失真：當(dāng)功放同時(shí)輸入兩種或兩種以上頻率的信號(hào)時(shí)，由于放大器的非線性，在輸出端會(huì)產(chǎn)生各頻率以及諧波頻率之間的和頻及差頻信號(hào)，這些新增加的頻率成分構(gòu)成非線性失真。(2)失真失真是指功放的聲頻信號(hào)波形發(fā)生了不應(yīng)有的變化。(1)功率效率在輸入信號(hào)的作用下，直流電源提供的直流功率中，一部分被轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)功率，其余部分將消耗在功率放大器中，形成功率放大器的損耗。D類功放的功率損耗(簡(jiǎn)稱功耗)主要由兩部分組成：開(kāi)關(guān)損耗和發(fā)熱損耗。從漏極到源極的通道需要一定的形成時(shí)間。但在開(kāi)關(guān)時(shí)間和非開(kāi)關(guān)時(shí)間中總會(huì)有一定的功率損失(開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗)。由于D類音頻功率放大器只工作在“0、l”狀態(tài)，其功率開(kāi)關(guān)器件要么導(dǎo)通要么截止，不在“放大區(qū)”停留，因此功耗極小、效率極高，效率高于96％。圖31 D類放大器簡(jiǎn)化H橋如圖31所示，電流從電源通過(guò)第一個(gè)狀態(tài)為“開(kāi)”的MOSFET，再流過(guò)負(fù)載，最后流過(guò)后一個(gè)狀態(tài)為“開(kāi)”的MOSFET。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時(shí)具有零電流，并且在導(dǎo)通時(shí)具有很低的VDS，因而產(chǎn)生較小的功耗IDSVDS。同時(shí)，不用散熱板，從而能節(jié)省空間。而D類放大器的效率可達(dá)到8090％，不僅不浪費(fèi)能量，有效地利用電源，還能得到較大的功率輸出。C類放大器以線性度為代價(jià)可以達(dá)到很高的效率，可應(yīng)用在恒包絡(luò)調(diào)制的射頻系統(tǒng)中。偏置電壓、輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)方式和輸出網(wǎng)絡(luò)共同決定了功率放大器的類型。E類放大器采用高階電抗網(wǎng)絡(luò)提供足夠的自由度來(lái)改變開(kāi)關(guān)電壓波形，使它在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的值和斜率均為零，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗。采用晶體管作為開(kāi)關(guān)有可能提供大為改善的效率，但由于現(xiàn)實(shí)開(kāi)關(guān)的不完全理想使得在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)這一可能性并不總是那么容易。當(dāng)輸出晶體管關(guān)閉時(shí)，全部電源供應(yīng)電壓即出現(xiàn)在晶體管上，但沒(méi)有電流，因此也不消耗功率，故理論上的效率為百分之百。這類功率放大器稱為準(zhǔn)數(shù)字放大器或數(shù)控放大器。圖28 C類放大器的固定偏置點(diǎn)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)單元的ON/OFF來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的放大器稱為D類放大器。因此，漏極電流是由周期性的一串脈沖構(gòu)成的。有些AB類功放將偏置電流調(diào)得很高，令其在更寬的功率范圍內(nèi)以A類工作，使聲音接近純A類機(jī)，但產(chǎn)生的熱量也相對(duì)增加。AB類功放通常有兩個(gè)偏壓，在無(wú)信號(hào)時(shí)也有少量電流通過(guò)輸出晶體管。工作偏置點(diǎn)如圖26所示，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，由于此時(shí)兩個(gè)晶體管仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此每一個(gè)晶體管的功率損耗均大于B類放大器，即AB類放大器的最大工作效率小于B類放大器，但大于A類放大器。大部分時(shí)間只有一個(gè)晶體管工作，在零交越點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)晶體管都工作。其功耗介于A類放大器和B類放大器之間，但通常更接近于B類放大器。B類功放的效率平均約為75％，產(chǎn)生的熱量較A類功放低，容許使用較小的散熱器。由于只有信號(hào)電流流過(guò)晶體管，因而減少了輸出級(jí)功耗。其工作偏置點(diǎn)如圖24所示。在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，功率損失為零。電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。一般而言，A類功放的售價(jià)約為同等功率AB類功放的兩倍或更多。A類功放發(fā)熱量驚人，為了有效處理散熱問(wèn)題，A類功放必須采用大型散熱器。A類功放的工作方式具有最佳的線性度，每個(gè)輸出晶體管均放大信號(hào)全波，完全不存在交越失真(Switching Distortion)，即使不使用負(fù)反饋，它的開(kāi)環(huán)失真仍十分低，因此被稱為聲音最理想的放大線路設(shè)計(jì)。A類放大器的優(yōu)點(diǎn)是線性度最好，失真最小。(在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，導(dǎo)通角度的一半定義為導(dǎo)通角)。當(dāng)然，這類放大器只要偏置和動(dòng)態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來(lái)看，可認(rèn)為它是一種優(yōu)質(zhì)的線性放大器，具有良好的聲音表現(xiàn)能力。測(cè)量：使輸入端對(duì)地短路，音量電位器為最大值，用示波器觀察輸出負(fù)載的電壓波形，用交流表來(lái)測(cè)量其有效值。（2）頻率響應(yīng)放大器的電壓增益對(duì)于中音頻(1KHz)的電壓增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的低音音頻和高音音頻稱為放大器的頻率響應(yīng)。為負(fù)載兩端的最大不失真電壓，為額定負(fù)載阻抗。音調(diào)：是人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀感覺(jué)，聲調(diào)高低與聲音的物理量“頻率對(duì)應(yīng)。為了生成精確的音頻，輸入晶體管需要在動(dòng)態(tài)范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助精確地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的功率分配。第二代D類放大器把一個(gè)用于模擬源信號(hào)的PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)和一個(gè)集成的輸出級(jí)以及片外濾波器組合在一起。全球音頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對(duì)音頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快研究開(kāi)發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器。故D類放大器在便攜式設(shè)備上的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)，受到許多開(kāi)發(fā)商的青睞。這一差異反襯出，D類功率放大器在許多應(yīng)用方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠漭^小的功率耗散意味著更低的發(fā)熱量、電路板空間及成本的節(jié)省和便攜式系統(tǒng)的電池工作時(shí)間的延長(zhǎng)等。D類功率放大器的輸出級(jí)只是瞬間通過(guò)一下線性區(qū)域，而大部分時(shí)間不是停留在飽和區(qū)就是截止區(qū)，上管飽和則下管截止，或者相反。這些放大器可使設(shè)計(jì)人員節(jié)省電池電量，因?yàn)镈類放大器比傳統(tǒng)AB類(或線性)放大器具有更高的效率。高效率D類音頻放大器正越來(lái)越多地被用在移動(dòng)電話、智能電話、PDA及其他類似便攜式應(yīng)用中，以取代AB類放大器。因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備受電池容量、散熱、體積的限制，對(duì)音頻功率放大器要求高效、節(jié)能、發(fā)熱量少、體積小、便于集成。數(shù)字音頻功放的概念早在20世紀(jì)60年代已被提出，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，進(jìn)展一直較慢。D類數(shù)字音頻功率放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM(Pulse Code Modulation，脈沖編碼調(diào)制)數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號(hào)，然后用PWM或PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通／斷音頻功率放大器，也稱為開(kāi)關(guān)放大器。音頻功率放大器的效率低就意味著工作時(shí)有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化成熱能，也就是說(shuō)，這些類型的音頻功率放大器要有足夠大的散熱器。目前大部分音響系統(tǒng)中的功放都是模擬類型，傳統(tǒng)的模擬功放按放大器的工作狀態(tài)可分為：A類、B類、AB類等形式。關(guān)鍵詞：音頻功率放大器；D類；脈寬調(diào)制AbstractAudio power amplifier is an important part of PIC(Power Integrated circuits)which is widely used in consumer electronic products，and China is the most important market of consumer products and the biggest world manufacture center of the consumer products．We launch a reach on audio power amplifier．With the continuous development of science and technology, especially the development of integrated circuit technology, high speed and high power devices have more and more, mobile phones, digital media technology, flatscreen TV, a portable electronic products such as digital product is portable to thin, rapid development, audio power amplifiers will tend to be highly effective, energysaving and miniaturization. Because mobile devices affected by the battery capacity, thermal, volume restrictions on audio power amplifier requires efficient, energysaving, low calorific value, small size, ease of integration.Traditional analog audio power amplifier although with high fidelity, but there is a high power consumption, low efficiency and so fatal flaws, and gets very hot, not easy to solve. And classd amplifiers due to work on or off, as control ponents of transistor itself lower power consumption, power amplifier is very efficient. Unlike traditional class AB audio power amplifiers, digital class D audio power amplifier39。與傳統(tǒng)的AB類音頻功率放大器相比，數(shù)字D類音頻功放最大的優(yōu)勢(shì)在于具有高效率，實(shí)際轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到80％以上，理論轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到100%。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是集成電路技術(shù)的發(fā)展，高速、大功率器件已越來(lái)越多，移動(dòng)電話、數(shù)字媒體技術(shù)、平面電視、便攜式數(shù)字產(chǎn)品等電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展，人們對(duì)音頻功率放大器的要求更加趨向于高效、節(jié)能和小型化。我國(guó)是全球最大的消費(fèi)類電子商品市場(chǎng)和生產(chǎn)基地，音頻功放的需求日益增加，因此研究音頻功率放大器具有非常重要的意義。而D類放大器由于工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，作為控制元件的晶體管本身消耗功率較低，所以功放的效率很高。本文論述了各種音頻功率放大器的工作原理以及各自的性能特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了D類音頻功率放大器的工作原理和脈寬調(diào)制工作原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款大功率輸出、低功耗數(shù)字音頻D類功率放大器。音頻功率放大電路是原理上最為基本、應(yīng)用上最為廣泛的功率放大電路。無(wú)論A類，B類還是AB類音頻功率放大器，當(dāng)它們的輸出功率小于額定輸出功率時(shí)，效率就會(huì)明顯降低，播放動(dòng)態(tài)的語(yǔ)言、音樂(lè)時(shí)平均工作效率只有30％左右。D類數(shù)字音頻放大器就是在這樣的背景下興起的。在手機(jī)、PDA、MP3Player等應(yīng)用中，以D類取代AB類放大器的趨勢(shì)便已相當(dāng)明顯。1 緒論 課題背景隨著半導(dǎo)體及微電子制造技術(shù)的不斷發(fā)展，高速、大功率器件已越來(lái)越多，電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展，人們對(duì)音頻功率放大器的要求更加趨向于高效、節(jié)能和小型化。所以D類音頻功率放大器越來(lái)越受到人們的重視。這導(dǎo)致采用很多新的產(chǎn)品技術(shù)，例如采用D類音頻功率放大器。D類功率放大器的顯著特點(diǎn)是其輸出級(jí)的工作狀態(tài)不是完全導(dǎo)通，就是完全截止，輸出器件功耗大大降低。音響系統(tǒng)可以采用的多種實(shí)現(xiàn)形式包括A類、AB類和B類等，與D類功率放大器相比，這些電路中即使是效率最高的線性輸出級(jí)，其功率的耗散也很大。近幾年，工業(yè)控制上快速低電壓控制大電流的MOSFET也已用得很普遍，該管開(kāi)關(guān)特性、導(dǎo)通飽和壓降和截止漏電流特性都大大改善，應(yīng)用到音頻開(kāi)關(guān)放大器上，能大大提高其可靠性和保真度。早期的主要缺點(diǎn)是失真度高，后來(lái)在控制芯片和功率器件模塊化后性能有所提高，才得以投放市場(chǎng)。歷史上出現(xiàn)過(guò)三代D類放大器設(shè)計(jì)：第一代是由托卡塔設(shè)計(jì)的TacTMillennium，證實(shí)了D類放大器的概念，但是該技術(shù)還不能提供足夠的性能，這使第一代D類放大器向著實(shí)用性的方向發(fā)展。第三代是最近一段時(shí)間，現(xiàn)有的D類數(shù)字放大器較以前的技術(shù)已有所改善，他們?cè)谝糍|(zhì)、封裝、性能、價(jià)格和核心技術(shù)方面都已取得重大改進(jìn)。2 音響的相關(guān)知識(shí) 聲音的基本特性音量：它與聲波的物理量“振幅有關(guān)，聲波的振幅大，人耳就感覺(jué)聲音響，音量大，反之，則聲音輕，音量小，音量的大小是人耳聽(tīng)音的主觀感覺(jué)。 放大器的技術(shù)指標(biāo)（1）額定功率音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值的最大功率稱為額定功率，表達(dá)式：。測(cè)量后應(yīng)迅速減小，以免損壞功率放大器。（4）噪聲電壓使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載上