【正文】 SRR， %的低 THD+N，以及超過(guò) 95dB的 SNR。 圖 530 PWM 濾波前后的時(shí)域波形 圖 531 PWM 濾波前后的頻譜分布 根據(jù)組成低通濾波器的元件與結(jié)構(gòu)不同，低通濾波效果與應(yīng)用方面不盡相同。 互補(bǔ) PWM開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開(kāi)啟 Q5 和 Q8或 Q6 和 Q7，分別經(jīng)兩個(gè) 4 階 Butterworth 濾波器濾波后推動(dòng)喇叭工作。相關(guān)參數(shù)如下： PWM 頻率： 350～ 400kHz；音頻信號(hào)： 1kHz；負(fù)載： 8Ω純電阻； L L2： 15μ H； CC2 ： F。 PWM1與 PWM2 都是低電平為零，高電平為 VCC 的方波， PWM1 與 PWM2 形成的差動(dòng)信號(hào)則是低電平為 VCC，高電平為 VCC 的方波。 方案一：選用晶體三極管、 IGBT 管。 驅(qū)動(dòng)電路 電路如圖 516 所示。設(shè)置前置放大器，可使整個(gè)功放的增益從 1— 20 連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。 電路參數(shù)的計(jì)算：在 5v 單電源供電下，我們將運(yùn)放 5腳和比較器 3腳的電位用 R8 調(diào)整為 ，同時(shí)設(shè)定輸出的對(duì)稱(chēng)三角波幅度為 1v(Vp_p＝ 2V)。雖然這一效率優(yōu)勢(shì)降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)散熱性能設(shè)計(jì)的要求，但仍然不能完全忽視系統(tǒng)散熱。揚(yáng)聲器是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，具有多種諧振元件。要降低峰值電流，應(yīng)在保證輸出功率，以及 D 類(lèi)放大器的電壓擺幅以及電源電壓的限制的條件下，選擇最大阻抗的揚(yáng)聲器，如圖 510 所示。 圖 58 D 類(lèi)放大器 3. 輔助散熱 當(dāng) D 類(lèi)放大器在較高的環(huán)境溫度下工作時(shí)，增加外部散熱片可以改善 PCB的熱性能。 與裸露焊盤(pán)相接的敷銅塊應(yīng)該用多個(gè)過(guò)孔連到 PCB 背面的其他敷銅塊上。 圖 56 正弦波的 RMS 值高于音頻信號(hào)的 RMS值，意味著用正弦波測(cè)試時(shí)， D類(lèi)放大器的發(fā)熱更大。 常見(jiàn)的音源，包含音樂(lè)和語(yǔ)音，其 RMS 值往往比峰值輸出功率低得多。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。真正需要考慮的折衷是系統(tǒng)的其它元器件。原因是27 如果電流超過(guò)額定電流閾值并且電流密度太高，許多電感器磁芯會(huì)發(fā)生磁性飽和，導(dǎo)致電感急劇減小，這是我們所不期望的。盡管揚(yáng)聲器阻抗有時(shí)近似于簡(jiǎn)單的電阻，但實(shí)際阻抗比較復(fù)雜并且可能包括顯著的無(wú)功分量。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。 EMI 處理 D類(lèi)放大器輸出的高頻分量值得認(rèn)真考慮。連續(xù)時(shí)間模擬反饋對(duì)于捕獲有關(guān)脈沖時(shí)序誤差的重要信息也是必需的，因此控制環(huán)路必須包括模擬電路以處理反饋信號(hào)。濾波器抑制高頻噪聲，但所有音頻頻率都會(huì)通過(guò)，包括音頻噪聲。這對(duì)于各種放大器是可以達(dá)到的，但在放大器設(shè)計(jì)期間必須跟蹤具體的噪聲源以保證達(dá)到滿(mǎn)意的總體 SNR。因此，避免 MH 和 ML 同時(shí)導(dǎo)通的情況很重要，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生一個(gè)從 VDD到 VSS 的低電阻路徑通過(guò)晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。在簡(jiǎn)單保護(hù)方案中，如果輸出電流超過(guò)安全閾值，輸出級(jí)關(guān)斷。 輸出級(jí)保護(hù) 輸出級(jí)必須加以保護(hù)以免受許多潛在危險(xiǎn)條件的危害： 過(guò)熱 : 盡管 D 類(lèi)放大器輸出級(jí)功耗低于線性放大器，但如果放大器長(zhǎng)時(shí)間提供非常高的功率，仍會(huì)達(dá)到危害輸出晶體管的水平。 輸出晶體管尺寸選擇 選擇輸出晶體管尺寸是為了在寬范圍信號(hào)調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗。 同時(shí)，三角波形的形狀、頻率的準(zhǔn)確性和時(shí)鐘信號(hào)的抖晃都會(huì)影響到以后復(fù)原的信號(hào)與原信號(hào)不同而產(chǎn)生失真。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(lèi)功放的發(fā)展。方法很簡(jiǎn)單，只需要用一個(gè)低通濾波器。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。在理想情況下， D 類(lèi)功放的效率為 100％， B類(lèi)功放的效率為 78． 5％， A類(lèi)功放的效率才 50％或 25％ (按負(fù)載方式而定 )。 B類(lèi)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(chē)功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專(zhuān)業(yè)超大功率功放場(chǎng)合，仍感效率偏低不能令人滿(mǎn)意。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。 （ 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。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)。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。這里沒(méi)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。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(méi)有電流流過(guò)，音頻信息便包含在這些接通、斷開(kāi)的周期過(guò)程中。而 D 類(lèi)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。 D類(lèi)放大器的功耗主要來(lái)自輸出晶體管導(dǎo)通阻抗、開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)電流開(kāi)銷(xiāo)。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(lèi)放大器。乙類(lèi)狀態(tài)的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)信號(hào)時(shí)原則上沒(méi)有直流電流，因而沒(méi)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(chēng) AB 類(lèi)功放。在音頻功放領(lǐng)域中，前四類(lèi)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。測(cè)量后應(yīng)迅速減小 Ui ，以免損壞功率放大器。 音調(diào) :是人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀感覺(jué)，聲調(diào)的高低與聲音的物理量“頻率”對(duì)應(yīng)人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍 :20hz～ 20KHz 稱(chēng)之為可聽(tīng)聲，低于 20Hz 稱(chēng)為次聲，高于 20KHz 稱(chēng)為超聲，人耳對(duì) 3K～ 4K的聲音最敏感。 6 D類(lèi)開(kāi)關(guān)音頻功率放大器的工作基于 PWM模式 :將音頻信號(hào)與采樣頻率比較，經(jīng)自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號(hào)幅度成正比例變化的 PWM波，然后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，加到功率 MOS 的柵極，控制功率器件的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)放大，將放大的 PWM送入濾波器，則還原為音頻信號(hào)。 低失真，大功率，高效率 是對(duì)功率放大器提出的普遍要求。 在本文里，對(duì)放大器的各個(gè)模塊包括放大電路、比較器電路、三角波產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，且達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的指標(biāo)。 本文首先介紹了聲音的基本特性、音響放大器的技術(shù)指標(biāo)、放大器分類(lèi)和 D類(lèi)放大器的工作原理，接著進(jìn)行了 D 類(lèi)功放的仿真分析，包括 PWM 波的形成、頻譜分析等等；然后根據(jù) D類(lèi)功放的設(shè)計(jì)要素，設(shè)計(jì)了基 于 MAXIM 公司的 10W 立體聲 /15W 單聲道集成芯片 MAX9703/MAX9704 的 D 類(lèi)放大器，并對(duì) D 類(lèi)功放的發(fā)展與技術(shù)展望進(jìn)行了描述。如今，隨著脈沖調(diào)制放大電路的技術(shù)瓶頸被逐漸解決，數(shù)字放大器的優(yōu)點(diǎn)日漸突顯，新品不斷推出，也越來(lái)越受到人們的關(guān)注了。 ，輸出功率不可能做的很大。 7 2 音響的基礎(chǔ)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)。功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻凡 (代替揚(yáng)聲器 )，輸入端接 Ui ，逐漸增大輸入電壓 Ui ，直到 U0 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。即 A 類(lèi)、 AB 類(lèi)、 B 類(lèi)、 C 類(lèi)、 D類(lèi)。這種狀態(tài)失真度就很大了，所以一般乙類(lèi)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。 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。因?yàn)?D 類(lèi)放大器的晶體管只是作為開(kāi)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。 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。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。 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(chēng)為 PWM 信號(hào)，即“脈寬調(diào)制”信號(hào)。EDA 技術(shù)經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段的發(fā)展。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。 和模擬功率放大器相比較， D類(lèi)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。耗電量?jī)H為同功率等級(jí)模擬放大器的三分之一。但 是， A類(lèi)功放的低效率和高損耗卻是它無(wú)法克服的先天頑跌。這種耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號(hào)輸出的大小無(wú)關(guān)，所以特別有利于超大功率的場(chǎng)合。把原始音頻信號(hào)加上一定直流偏置后故在運(yùn)放的正輸入端，另通過(guò)自激振蕩生成一個(gè)三角形波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。 第三部分需把大功率 PWM波形中的聲音信息還 原出來(lái)。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(jiǎn)化。更高的調(diào)制頻率還會(huì)出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于 1MHZ。 D 類(lèi)功放的設(shè)計(jì)要素 雖然利用 D類(lèi)放大器的低功耗優(yōu)點(diǎn)有力推動(dòng)其音頻應(yīng)用，但是有一些重要問(wèn)題需要設(shè)計(jì)考慮，包括：輸 出晶體管尺寸選擇；輸出級(jí)保護(hù)；音質(zhì)處理；抗電磁干擾 ( EMI)； LC濾波器設(shè)計(jì)；系統(tǒng)成本；散熱。功率晶體管制造商試圖將其器件的RON CG 減至最小以減少開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的總功耗，從而提供開(kāi)關(guān)頻率選擇上的靈活性。因此，23 需要電流檢測(cè)輸出晶體管保護(hù)電路。 圖 53 輸出級(jí)晶體管的先合后開(kāi)開(kāi)關(guān) 輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)序 : MH和 ML輸出級(jí)晶體管 (見(jiàn)圖 53)具有非常低的導(dǎo)通電阻。 信噪比 (SNR):為了避免放大器本底噪聲產(chǎn)生的嘶嘶聲，對(duì)于便攜式應(yīng)用的低功率放大器， SNR 通常應(yīng)當(dāng)超過(guò) 90 dB，對(duì)于中等功率設(shè)計(jì) SNR 應(yīng)當(dāng)超過(guò) 100 dB，對(duì)于大功率設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)超過(guò) 110 dB。發(fā)生這種情況是因?yàn)檩敵黾?jí)晶體管通過(guò)一個(gè)非常低的電阻將電源連接到低通濾波器。 但反饋使得放大器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因?yàn)楸仨殱M(mǎn)足環(huán)路的穩(wěn)定性 (對(duì) 于高階設(shè)計(jì)是一種很復(fù)雜的考慮 )。對(duì)于音質(zhì) 要求寬松的應(yīng)用，可通過(guò)這些開(kāi)環(huán) D類(lèi)放大器進(jìn)行處理，但對(duì)于最佳音質(zhì)，有些形式的反饋似乎是必需的。電流驅(qū)動(dòng)和回路印制線應(yīng)當(dāng)集中在一起以將環(huán)路面積減至最小 (揚(yáng)聲器使用雙絞線對(duì)接線很有幫助 )。在二極管完全斷開(kāi)之前，會(huì)出現(xiàn)大的反向恢復(fù)電流尖峰，從而產(chǎn)生麻煩的EMI 源。揚(yáng)聲器用于減弱電路的固有諧振。 額定電流：選用磁芯的額定電流應(yīng)當(dāng)大于期望的放大器的最高電流。構(gòu)成該電路的成本大致與模擬線性放大器相同。在大功率放大器中， D類(lèi)放大器的總體系統(tǒng)成本仍具有競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)樵谏嵫b置節(jié)省的大量成本可以抵消 LC 濾波器的成本。如果用接近最大輸出功率的連續(xù)正弦波驅(qū)動(dòng) D 類(lèi)放大器，則放大器常常會(huì)進(jìn)28 入熱關(guān)斷狀態(tài)。如果只能使用正弦波，則所得到的熱性能要比實(shí)際系統(tǒng)差。 29 圖 57 裸露焊盤(pán) D類(lèi)放大器采用 TQFN 或 TQFP 封裝時(shí)，裸露焊盤(pán)是其主要散熱通道。 圖 58 D類(lèi)放大器右邊的寬走線有助于導(dǎo)熱。降低負(fù)載的峰值電流可減少 MOSFET 的 I2R損耗，進(jìn)而提高效率。 圖 510輸出功率 31 另外還需要注意音頻帶寬內(nèi)負(fù)載阻抗的變化。 圖 511 揚(yáng)聲器的阻抗的變化 5． 結(jié)論 D 類(lèi)放大器的效率相比 AB 類(lèi)放大器有很大提高。 圖 513三角波產(chǎn)生電路 載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實(shí)現(xiàn)，選擇 150KHz 的載波，使用四階 Butterworth LC 濾波器，輸出端對(duì)載頻的衰減大于 60dB，能滿(mǎn)足題目的要求，所以我們選用載波頻率為 150 kHz。 圖 514比較器 電路 前置放大器 電路如圖 515 所示。 超過(guò)此幅度則輸出會(huì)產(chǎn)生削波失真。 36 圖 518 H橋型輸出電路 ②．開(kāi)關(guān)管的選擇 為提高功率放大器的效率和輸出功率，開(kāi)關(guān)管的選擇非常重要，對(duì)它的要求是高速、低導(dǎo)通電阻、低損耗。 37 圖 519 H 橋式輸出電路 ②． 雙極性 PWM H 橋式電路輸出的兩路 PWM波是 180? 反向的， 圖 520所示為 50%占空比，輸入為零的情況。雙極性 PWM與 單極性 PWM經(jīng) LC 濾波后的波形對(duì)比如 圖 524～ 圖 526所示。實(shí)際電路如圖 528 所示。從圖中可以看出， PWM 經(jīng)過(guò)低通濾波器后高頻分量大大減小，音頻信號(hào)得到恢復(fù)，但總會(huì)殘留部分高頻開(kāi)關(guān)成分。本器件采用全差分結(jié)構(gòu)、全橋輸出 ，并具有全面的雜音抑制。 MAX9703/MAX9704 詳細(xì)說(shuō)明 MAX9703/MAX9704無(wú)需濾波的 D類(lèi)音頻功率放大器對(duì)開(kāi)關(guān)模式放大技術(shù)作了一些重要改進(jìn)。 工作效率 D類(lèi)放大器的效率取決于輸出級(jí)晶體管的工作時(shí)間。濾波元件的任何寄生電阻都會(huì)導(dǎo)致功率損耗、降低效率。H至 100181。用 、 REG旁路至 GND。 4. 增益選擇 MAX9703/MAX9704可由內(nèi)部設(shè)置