【正文】 電感電流打開(kāi)。通過(guò)保持非重疊時(shí)間 非常短 (還建議將音頻失真減至最小 )使 EMI 減至最小。另一個(gè)要注意的地方是當(dāng)輸出級(jí)晶體管柵極電容開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。之所以如此，是因?yàn)檩敵黾?jí)的晶體管將電源通過(guò)一個(gè)很小的電阻直接連接到低通濾波器上。特別是死區(qū)時(shí)間嚴(yán)重影響了 D類(lèi)功放的線性度。其不完善是由于 D 類(lèi)功放產(chǎn)生的失 真開(kāi)關(guān)波形造成的。失真有諧波失真、互調(diào)失真 、交叉失真、削波失真等。其中開(kāi)關(guān)損耗就是輸出級(jí)瞬間工作在線性區(qū)的電壓電流乘積，而發(fā)熱損耗是電流流過(guò)導(dǎo)通管時(shí)由熱效應(yīng)引起的，其值等于電流平方和通態(tài)電阻的乘積。出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)時(shí)間內(nèi)的損耗是由于 MOSFET 的上升時(shí)間和下降時(shí)間大于零。由于兩個(gè) MOSFET 均完全飽和，為“開(kāi)”態(tài)，因此在其上只有很小的壓降。 (3)低消耗電力。各類(lèi)功率放大器的主要性能指標(biāo)如表 21 所示。但它對(duì)于關(guān)斷過(guò)渡沒(méi)有任何作用，而關(guān)斷過(guò)渡的邊沿常常是更成問(wèn)題的。 D 類(lèi)功放最大的優(yōu)點(diǎn)是效率最高，供電器可以縮小，幾乎 不產(chǎn)生熱量，因此無(wú)需大型散熱器，機(jī)身體積與重量顯著減少，理論上失真低、線性佳。 數(shù)字功率放大 器分為兩種類(lèi)型。 類(lèi)功放 C 類(lèi)功放的原理圖如圖 27 所示， LR 是負(fù)載，電 感 L 和電容 C 是匹配網(wǎng)絡(luò)，它們與負(fù)載共同組成并聯(lián)諧振回路。 與 B 類(lèi)放大器電路類(lèi)似， AB類(lèi)放大器也需要一些控制電路以使其提供或吸收大的輸出電流。晶體管工作時(shí)間大于半個(gè)周期但小于一個(gè)周期，即導(dǎo)通角在 90176。 B 類(lèi)功放的工作方式是當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，輸出晶體管不導(dǎo)電，所以不消耗功率。工作原理就是把 A 類(lèi)放大器靜態(tài)工作點(diǎn) Q 下移，使輸入信號(hào)為零時(shí)電源輸出的功率也等于零；輸入信號(hào)增大時(shí)電源供給的功率也隨之增大，這樣電源供給功率和管耗都隨著輸出功率的大小而改變，也就改善了A 類(lèi)放大時(shí)效率低的狀況，完全輸出理論值為 78． 5％。 A 類(lèi)放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn) Q 設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近，晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。但這種設(shè)計(jì)有利有弊， A 類(lèi)功放最大的缺點(diǎn)是效率低，因?yàn)闊o(wú)信號(hào)時(shí)仍有滿(mǎn)電流流入，電能全部轉(zhuǎn)為高熱量。 A 類(lèi)放大器的偏置電流大于輸入電流， Q 點(diǎn) (靜態(tài)偏置點(diǎn) )處于負(fù)載線的中心 。 功率放大器的分類(lèi) 類(lèi)功放 A 類(lèi)放大器也稱(chēng)為甲類(lèi)放大器，靜態(tài)工作點(diǎn)選在負(fù)載線的中間，在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)電流連續(xù)地流過(guò)所有輸出器件，工作期間不產(chǎn)生開(kāi)關(guān)失真和交越失真，處于良好的線性工作狀態(tài)。 測(cè)量條件如下：信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為 1KHz，電壓 iU =20mV 正弦信號(hào)。通過(guò)采用一個(gè)簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大的內(nèi)部控制邏輯系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)輸入的更精細(xì)的控制。它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字設(shè) 備相連接的特點(diǎn)。早些時(shí)候晶體管、集成電路的開(kāi)關(guān)特性差，不能滿(mǎn)足 D 類(lèi)音頻功率放大器的技術(shù)要求，因此對(duì) D 類(lèi)音頻功率放大器的研究開(kāi)發(fā)有相當(dāng)?shù)睦щy，研究開(kāi)發(fā)僅停留在理論上。近年來(lái)國(guó)際上加緊了對(duì) D 類(lèi)音頻功率放大器的研究與開(kāi)發(fā)，并取得了一定進(jìn)展，這一技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，引起了科研、教學(xué)、電子、商業(yè)界的特別關(guān)注。普通功放 發(fā)熱量大，不易解決散熱問(wèn)題。由于其開(kāi)關(guān)管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此具有高效率、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。 A 類(lèi)、 AB 類(lèi)功放是音響系統(tǒng)中最為常用的功放。 因此能極大地降低能源損耗，減小放大器體積。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁(yè) 共 37 頁(yè) 摘 要 音頻功率放大器是功率集成電路中的一個(gè)重要組成部分 ，并且廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中。 在這個(gè)能源節(jié)約的 時(shí)代， 憑借其高效率、低功耗的特點(diǎn)，數(shù)字 D 類(lèi)音頻功放正逐漸取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器，并越來(lái) 越受到人們的重視。傳統(tǒng)類(lèi)音頻放 大器的一個(gè)共同缺點(diǎn)是效率很低， A 類(lèi)音頻放大器的理論效率是 25％，實(shí)際效率大約為 1520％； B 類(lèi)音頻放大器的理論最大效率是 ％； AB 類(lèi)音頻放大器的理論效率 75％，實(shí)際效率在5070％之間。目前， D 類(lèi)音頻功率放大器在移動(dòng)電話、平面電視、 LCD 顯示器以及各種以電池供電的便攜式游戲設(shè)備等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中已獲得廣泛的應(yīng)用。而D 類(lèi)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，功放的效率就高，可達(dá)到 90％以上，因此能極大地降低能源損耗，減小放大器體積。不久的將來(lái)， D 類(lèi)音頻功率放大器必將取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器。隨著金屬．氧化物．半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)的出現(xiàn)，其開(kāi)關(guān)特性很好，工作效率高，開(kāi)關(guān)速度快，管壓降小，功耗低，適合用于 D 類(lèi)音頻功率放大器的研究開(kāi)發(fā)。 D 類(lèi)音頻功率放大器符合上述要求。最后還不能忽視新的架構(gòu)技術(shù)。功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻 LR (代替揚(yáng)聲器 )，輸入端接 iU ，逐漸增大輸入電壓 iU ，直 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁(yè) 共 37 頁(yè) 到 0U 的波形剛好不出現(xiàn)諧波失真 (r1％ )，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓。但電路效率較低，功率輸出管的發(fā)熱量很大，電路的安全性和可靠性設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。 輸出負(fù)載的平均功率為： LPL RVP 2/2? 電源輸入功率為： QCCS IVP 2? 工作效率 為： %10041%100)/( ???? CCPLQ PSL VVRI VPP? 圖 22 A類(lèi)放大器的固定偏置點(diǎn) 由上式可見(jiàn)，當(dāng) CCP VV ? 且 LQP RIV ? 時(shí)， A 類(lèi)放大器具有最大工作效率，為 25％。當(dāng)信號(hào)電平增加時(shí)，有些功率可進(jìn)入負(fù)載，但許多仍轉(zhuǎn)變?yōu)闊?量 。放大器可單管工作，也可以推挽工作。其簡(jiǎn)化電路如圖 23 所示。當(dāng)有信號(hào)時(shí)，每對(duì)輸出管各放大一半波形，彼此一開(kāi)一關(guān)輪流工作完成一個(gè)全波放大，在兩個(gè)輸出晶體管輪換工作時(shí)便發(fā)生交越失真，因此造成非線性。到 180176。遺憾的是，即使是精心設(shè)計(jì)的 AB 類(lèi)放大器也有很大的功耗，因?yàn)槠渲械确? 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 13 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圍的輸出電壓通常遠(yuǎn)離正電源或負(fù)電源。通過(guò)調(diào)節(jié)電容 C，使回路諧振在輸入信號(hào)頻率上。第一類(lèi)的數(shù)字式功率放大器是在同一機(jī)箱內(nèi)裝以數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器、音量控制電路以及普通的模擬功率放大 器。音頻功率放大器的用途是在發(fā)聲輸出元件上復(fù)現(xiàn)輸入音頻信號(hào)，提供所需要的音量和功率水平一保證復(fù)現(xiàn)的忠實(shí)性、高效率以及低失真度。并且 E 類(lèi)放大器具有很差的歸一化功率傳遞能力，因此盡管這一類(lèi)型的放大器可能有很高的效率，但它卻要求采用更大尺寸的器件把 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 15 頁(yè) 共 37 頁(yè) 一定數(shù)量的功率傳送到負(fù)載。 表 21 各類(lèi)放大器性能比較 放大器 種類(lèi) 保真度 最大效率 模擬 A 極好 25% AB 好 ＜ 75% B 一般 % 開(kāi)關(guān) D 不好 100% E 不好 F 不好 3 D 類(lèi)功率放大器原理 D 類(lèi)放大器的特點(diǎn) (1)高效率。 D 類(lèi)放大器效率高發(fā)熱少，能減少不必要的功率消耗。分壓電路由 )(ONDSR , )(OFFDSR 及輸出負(fù)載或揚(yáng)聲器 LR 組成，MOSFET 的 )(ONDSR 極小，因此它上面幾乎沒(méi)有什么壓降；相反，“關(guān)”態(tài) MOSFET 的)(OFFDSR 值卻很大，因此可忽略通過(guò)它們的電流。出現(xiàn)這種情況有 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 17 頁(yè) 共 37 頁(yè) 幾個(gè)原因。在電源電壓為額定值時(shí)， D 類(lèi)功放的效率高達(dá) 80％ 90％，對(duì)于語(yǔ)言和音樂(lè)信號(hào)，其實(shí)用效率為 65％ 80％，約等于 AB 類(lèi)的 2 倍。 ① 諧波失真：諧波失真是由功率放大器中的非線性元件引起的，這種非線性會(huì)使聲頻信號(hào)產(chǎn)生許多新的諧波成分。原因 有 ： ⅰ 從調(diào)制器到開(kāi)關(guān)級(jí)由于分辨率限制和時(shí)間抖動(dòng)而導(dǎo)致的 PWM 信號(hào)中的非線性。幾十納秒少量的死區(qū)時(shí)間很容易產(chǎn)生 1％以上的 THD。濾波器可以抑制高頻噪聲，但可以通過(guò)所有音頻分量，包括噪聲。通常這些電荷來(lái)自 儲(chǔ)能電容，從而形成一個(gè)包含兩個(gè)電容的電流環(huán)路。如果反向恢復(fù)方案仍不可接受，可使用肖特基 (Schottky)二極管與該晶體管的寄生二極管并聯(lián)，從而轉(zhuǎn)移電流并且防止寄生二極管一直導(dǎo)通。在下個(gè)時(shí)段，當(dāng) MOSFET 的另一邊開(kāi)始打開(kāi)時(shí)，除非存儲(chǔ)的少量載流子完全放電，否則體二極管將一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。在 D 類(lèi)功放 中普遍用反饋來(lái)補(bǔ)償供電電壓變化。然后用晶體管開(kāi)關(guān)放大器來(lái)放大經(jīng)調(diào)制的矩形脈沖。 圖 32 D類(lèi)功率放大器框圖 圖 33 一般 D類(lèi)放大器結(jié)構(gòu)圖 圖 33 是一般 D 類(lèi)功放的結(jié)構(gòu)圖，它主要由 PWM 波產(chǎn)生電路、功率放大電路、濾波電路和負(fù)反饋電路四部分組成。此高頻界限隨著輸出負(fù)載的不同而不同，有些為 30kHz，有些則達(dá)到 40kHz左右。產(chǎn)生的 PWM 脈沖序列再送入功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，揚(yáng)聲器起著濾波器的作用，將放大后的 PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換成人類(lèi)耳朵可檢 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 22 頁(yè) 共 37 頁(yè) 測(cè)的模擬信號(hào)。其中， sf 為載波信號(hào)頻率， Tf 為 調(diào)制信號(hào)頻率。在利用數(shù)字音頻信號(hào)源進(jìn)行播放時(shí)，模擬的線性放大器需要通過(guò)數(shù)模變換器來(lái)將音頻信號(hào)變換為模擬形式。 4 電路系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 電路方案論證 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 ，采用 D 類(lèi)功率放大器。 （ 2） 高速開(kāi)關(guān)電路 ① 輸出方式 方案一：選用 H 橋型輸出方式 (電路如圖 42 所示 )。 方案二：選用 VMMOSFET 管。該電路采用 NE5532 來(lái)實(shí)現(xiàn) (電路如圖 46 所示 )。當(dāng)功放輸出的最大不失真功率為 1W 時(shí)，其 8Ω上的電壓 PPV? =8V，此時(shí)送給比較器音頻信號(hào)的 PPV? 值應(yīng)為 2V，則功放的最大增益約為 4（實(shí)際上，功放的最大不失真功率要略大于 1W，其電壓增益要略大于 4）。 前放仍采用具有較寬的頻帶和轉(zhuǎn)換速率的 NE5532,保證了比較器的比較精度 ，并且通過(guò) NE5532 的反饋，可以調(diào) 節(jié)音頻的高音、中音和低音。 工作頻率的確定主要從兩個(gè)方面考慮，一方面，作為載波的三角波的工作頻率越高越有利于提高調(diào)制信號(hào)中的基波分量，而調(diào)制信號(hào)中基波分量的多少將直接影響著功率放大器的效率高低；另一方面，考慮到器件中電平轉(zhuǎn)換的時(shí)間延遲，較高頻率的三角波也是較難做到的。 ③ 濾波器的選擇 方案一：采用兩個(gè)相同的二階 Butterworth 低通濾波器。 圖 42 H 橋式輸出 開(kāi)關(guān) 電路 方案二：選用推挽單端輸出方式 (電路如圖 43 所示 )。由于輸出管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，故具有極高的效率。 另一方面，傳 統(tǒng) D 類(lèi)放大器在成本上的主要缺點(diǎn)就在于它要使用 LC 濾波器。 三角波發(fā)生器電路采用滯遲過(guò)零比較器加反相積分器組成的典型電路結(jié)構(gòu)，為了保證三角波在高頻輸出信號(hào)下的線性度及 PWM 脈沖信號(hào)邊沿的陡度，運(yùn)算放大器及電壓比較器均采用高速器件。當(dāng) inV mV 時(shí)，比較器輸出高電平，反之，輸出低電平。將這些脈寬調(diào)制的數(shù)據(jù)流去推動(dòng)功率放大器的常規(guī)輸出晶體管。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 21 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 34 D類(lèi)放大器波形圖 隨著脈沖調(diào)制放大電路技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字放大器的優(yōu)點(diǎn)日漸突出，因而越來(lái)越受到人 們的關(guān)注。在輸出端經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量之后，便又將矩形脈沖變成音頻波形，再將其耦合至負(fù)載揚(yáng)聲器。如果音響設(shè)計(jì)者使用帶很高環(huán)路增益的反饋的話 (正如許多線性放大器設(shè)計(jì) )，會(huì)大大提高電路性能。因此，對(duì)可靠的設(shè)計(jì)和降低 EMI 來(lái)說(shuō)， PCB 的布局都是至關(guān)重要的。 由于 D 類(lèi)的工作模式不同于 AB類(lèi)，會(huì)產(chǎn)生某些高頻諧波。 有時(shí)，插入與放大器電源串聯(lián)的 RF 扼流線圈很有幫助。如果不正確理解和處理，這些分量會(huì)產(chǎn)生大量 EMI 并且干擾其它設(shè)備的工作。 關(guān)于音頻信號(hào)強(qiáng)度的信息通常是通過(guò) D 類(lèi)調(diào)制器輸出脈沖的寬度來(lái)編碼的。 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。 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。 (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 SP 中，一部分被轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)功率 LP ，其余部分將消耗在功率放大器中，形成功率放大器的損耗 CP 。從漏極到源極的通道需要一定的形成時(shí)間。由于 D 類(lèi)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％。 因?yàn)楫?dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時(shí)具有零電流，