【正文】 目錄 1 引 言 ............................................................. 5 2 音響的基礎(chǔ)知識 .................................................... 7 聲音的基本特性 .................................................. 7 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù) ................................................ 7 放大器的技術(shù)指標(biāo) ................................................ 7 3 放大器的簡介 ...................................................... 9 4 D 類功放的原理及仿真 ............................................. 13 D 類功放的工作原理 ............................................. 13 D 類功放的 EDA 仿真 ............................................. 15 EDA 仿真概述 ................................................. 15 D 放大器原理仿真概述 ......................................... 16 輸入信號抽樣―― PWM 波的形成仿真 ............................. 17 輸出信號 PWM 波的頻譜仿真分析 ................................. 17 D 類功放的優(yōu)點 ................................................. 18 5 D 類功放的硬件設(shè)計 ............................................... 19 D 類功放的設(shè)計原理 ............................................. 19 D 類功放的設(shè)計要素 ............................................. 22 輸出晶體管尺寸選擇 ........................................... 22 輸出 級保護(hù) ................................................... 22 音質(zhì)處理 ..................................................... 23 EMI 處理 ..................................................... 25 LC 濾波器設(shè)計 ................................................ 26 系統(tǒng)成本 ..................................................... 27 散熱注意事項 ................................................. 27 D 類功放電路分析與計算 ......................................... 31 脈寬調(diào)制器（ PWM） ............................................ 31 前置放大器 ................................................... 33 驅(qū)動電路 ..................................................... 34 高速開關(guān)電路 ................................................ 35 低通濾波 ..................................................... 40 6 MAX9703/MAX9704 單聲道 /立體聲 D 類音頻功率放大器 .................. 44 概述 ........................................................... 44 MAX9703/MAX9704 詳細(xì)說明 ....................................... 44 4 工作效率 ..................................................... 44 應(yīng)用信息 ..................................................... 45 7 D 類功放的發(fā)展與技術(shù)展望 ......................................... 47 D 類功放的不足 ................................................. 47 D 類功放的最新發(fā)展 —— T類功率放大器 ............................ 47 結(jié)論 ............................................................... 48 致謝 ............................................................... 49 參考文獻(xiàn) ........................................................... 50 5 1 引 言 音響技術(shù)發(fā)展到今天，音響設(shè)備中大部分已實現(xiàn)了數(shù)字化，如作為音源的CD、 DAT、 MD、 DVD 等，數(shù)字調(diào)音臺以及數(shù)字效果器、壓限器、激勵器等周邊設(shè)備也被一些專業(yè)場所使用。 D 類放大器包括脈寬調(diào)制器和輸出級。因為其需要極高的精確度，但在如何解決脈沖調(diào)制放大在工作時提供持續(xù)穩(wěn)定的線性響應(yīng)，以及如何避免產(chǎn)生輻射脈沖干擾等方面難以取得突破，故一直使脈沖調(diào)制型放大器在音響應(yīng)用領(lǐng)域停滯不前，舉步維艱。常常需要設(shè)計復(fù)雜的補(bǔ)償電路和過流，過壓 ，過熱等保護(hù)電路，體積較大，電路復(fù)雜。 近年來，國外的公司對 D類功率放大器進(jìn)行了研究和開發(fā)，提出了一些方案，但是尚存在了較大的難度，由于采用 PWM 方式，為了提高音質(zhì)，降低失真，必須提高調(diào)制頻率，但是在較高頻率下，會產(chǎn)生一定的問題，同時， D 類功率放大器對器件的要求較高，不利于降低成本。 測量條件如下 :信號發(fā)生器輸出頻率為 1KH，電壓 Ui =20mV 正弦信號。 9 3 放大器的簡介 功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類。集電極輸出半個正弦波。但是，信號導(dǎo)通角逾小Vce Ic Ib=0 Q IB VBE IB VBE 12 波形失真則愈大，輸出信號中諧波成分增加，這兩個要求矛盾。對于線性放大器（如 AB 類）來說，偏置原件和輸出晶體管的線性工作方式會損耗大量功率。對于手機(jī)來說，揚(yáng)聲器和 PTT (PushtoTalk，一鍵通 )模式需要 D 類放大器的高效率，以延長電池壽命。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。因為揚(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)。主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計工作，既 IC 設(shè)計、電子電路設(shè)計和 PCB 設(shè)計。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)點的虛脫和注意地端的連接。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，因為低功耗產(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。 （ 5）能量轉(zhuǎn)換效率極高，體積小，可靠性高。認(rèn)為 A類功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。工作時，靠輸入信號讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個接通的開關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通 *理想晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。 圖 51是 D類功放的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個部分： 20 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 只運放構(gòu)成比較器即可完成。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。另外，整機(jī)的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。但此時晶體管的開關(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。如要求更高則需用四階濾波器，這時成本和匹配等問題都必須加以考慮。在高輸出功率情況下，功耗和效率主要由傳導(dǎo)損耗決定，而在低輸出功率情況下，功耗主要由開關(guān)損耗決定。如果不經(jīng)核查，這個電流會破壞晶體管或外圍 電路。這個問題通常通過欠壓封鎖電路來處理，只有當(dāng)電源電 壓大于欠壓封鎖閾值時才允許輸出級工作。但不幸的是，它們易于引入到 D 類放大器中，除非當(dāng)放大器靜噪或非靜噪時特別注意調(diào)制器狀態(tài)、輸出級時序和 LC濾波器狀態(tài)。 電源抑制 (PSR): 在下圖所示的電路中，電源噪聲幾乎直接耦合到輸出揚(yáng)聲器，具有很小的抑制作用。在精心設(shè)計的閉環(huán) D 類放大器中，可以達(dá)到 PSR 60 dB 和 THD %的高保真音質(zhì)。這樣至少會處理一部分失真源，但不是全部。例如，整個 LC濾波器 (包括揚(yáng)聲器接線 )的布局應(yīng)盡可能地緊密，并且保持靠近放大器。當(dāng)非重疊時間結(jié)束時，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪颉Ｏ聢D示出一個差分式二階 LC 濾波器。 電感器設(shè)計考慮因素：設(shè)計或選擇電感器的重要因素包括磁芯的額定電流和形狀，以及繞線電阻。 系統(tǒng)成本 D類放大器的有源器件是開關(guān)輸出級和調(diào)制器。 LC 濾波器的元器件，尤其是電感器，占用 PCB 面積并且增加成本。盡管使用正弦波進(jìn)行測量比較方便，但這樣的測量結(jié)果卻是放大器在最壞情況下的熱負(fù)載。因此，測量系統(tǒng)的熱性能時，最好使用實際音頻信號而非正弦波作為信號源。敷銅走線應(yīng)盡可能寬，因為這將影響到系統(tǒng)的整體散熱性能。雖然對整體熱性能的改善不到 10%，但這樣的改善卻 會給系統(tǒng)帶來兩種截然不同的結(jié)果 即使系統(tǒng)具備較理想的散熱或出現(xiàn)較嚴(yán)重的發(fā)熱。 當(dāng) D 類放大器工作在較高環(huán)境溫度下，可能需要如圖示的 SMT 散熱片 圖 59 SMT 散熱片 4． 負(fù)載阻抗 D 類放大器 MOSFET 輸出級的導(dǎo)通電阻會影響它的效率和峰值電流能力。雖然大多數(shù)揚(yáng)聲器的阻抗都采用 4或 8，但也可采用其他阻抗的揚(yáng)聲器實現(xiàn)更高效的散熱。 8 阻抗、 13cm 口徑揚(yáng)聲器的阻抗隨頻率改變而急劇變化。 TLC4502 不僅具有較寬的頻帶，而且可以在較低的電壓下滿幅輸出，既保證能產(chǎn)生線性良好的三角波，而且可達(dá)到發(fā)揮部分對功放在低電壓下正常工作的要求。 出于三角波 V PP_ =2v，所以要求音頻信號的 V PP_ 不 能大于 2v，否則會使功 放產(chǎn)生失真。 圖 515 前置放大器 電路 考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值 Vom 2． 5v，取 Vom = V，則要求輸入的音頻最大幅度 Vim ( Vom / AV )=2/8=250mv。此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波的峰 — 峰值可達(dá) 10 v，有效地提高了輸出功率，且能達(dá)到題目所有指標(biāo)要求，改選用此輸出電路形式。根據(jù)開關(guān)控制規(guī)律的不同，橋式電路的 PWM 輸出可分為雙極性 PWM 與單極性 PWM。 H 橋式電路輸出 PWM波的極性不同，會對濾波器輸出產(chǎn)生影響。 因輸出功率稍大于 l w，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動的對管， IRFDl20 和 IRFD9120 VMOS 對管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。 41 圖 529 低通濾波器頻率特性 圖 530與 圖 531為 PWM 濾波前后的時域與頻域分析。 MAX9703/MAX9704提供兩種調(diào)制方案：固定頻率模式 (FFM)與擴(kuò)頻模式 (SSM)，SSM模式降低了調(diào)制頻率產(chǎn)生的 EMI輻射。 MAX9703/MAX9704的應(yīng)用與： LCD TV 、 LCD監(jiān)視器、臺式 PC、 LCD放映機(jī)、免提式車載電話適配器、 汽車電子。當(dāng)三角波輸入幅度超出相應(yīng)的比較器輸入電壓時，比較器的輸出翻轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的 PWM結(jié)構(gòu)采用較大的差分輸出擺幅 (2 x VDD峰 峰值 )，造成紋波電流過大。典型的 8?揚(yáng)聲器等效串聯(lián)電感在 30181。不46 要用 VREG作為系統(tǒng)周圍元件的 6V電源。W/(VDD/100 x η )，只有幾個微安。 3. 輸出失調(diào) 與 AB類放大器不同的是， D類放大器在加上負(fù)載后其輸出失調(diào)電壓不會明顯增大靜態(tài)電流。H范圍內(nèi)。 MAX9703/MAX9704不需要輸出濾波器，而是利用揚(yáng)聲器線圈自身的電感和揚(yáng)聲器與人耳的天然濾波作用，從方波輸出中恢復(fù)音頻成分。在 D類放大器中，輸出晶體管用作電流調(diào)整開關(guān)，消耗的額外功率可以忽略不計。 MAX9703是單聲道放大器， MAX9704是立體聲放大器。 MAX9703/MAX9704具有 80dB的高 P