【正文】 用 、 REG旁路至 GND。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。 MAX9703/MAX9704 詳細(xì)說(shuō)明 MAX9703/MAX9704無(wú)需濾波的 D類音頻功率放大器對(duì)開(kāi)關(guān)模式放大技術(shù)作了一些重要改進(jìn)。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。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。 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。 圖 514比較器 電路 前置放大器 電路如圖 515 所示。 圖 511 揚(yáng)聲器的阻抗的變化 5． 結(jié)論 D 類放大器的效率相比 AB 類放大器有很大提高。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。 29 圖 57 裸露焊盤(pán) D類放大器采用 TQFN 或 TQFP 封裝時(shí)，裸露焊盤(pán)是其主要散熱通道。如果用接近最大輸出功率的連續(xù)正弦波驅(qū)動(dòng) D 類放大器，則放大器常常會(huì)進(jìn)28 入熱關(guān)斷狀態(tài)。構(gòu)成該電路的成本大致與模擬線性放大器相同。揚(yáng)聲器用于減弱電路的固有諧振。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 )。 但反饋使得放大器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因?yàn)楸仨殱M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 )。 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。因此，23 需要電流檢測(cè)輸出晶體管保護(hù)電路。 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(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。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。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。但 是， A類功放的低效率和高損耗卻是它無(wú)法克服的先天頑跌。 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(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。EDA 技術(shù)經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段的發(fā)展。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。因?yàn)?D 類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。這種狀態(tài)失真度就很大了，所以一般乙類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。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。 ，輸出功率不可能做的很大。 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)、放大器分類和 D類放大器的工作原理，接著進(jìn)行了 D 類功放的仿真分析，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 類放大器，并對(duì) D 類功放的發(fā)展與技術(shù)展望進(jìn)行了描述。 低失真，大功率，高效率 是對(duì)功率放大器提出的普遍要求。 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 稱之為可聽(tīng)聲，低于 20Hz 稱為次聲，高于 20KHz 稱為超聲，人耳對(duì) 3K～ 4K的聲音最敏感。在音頻功放領(lǐng)域中，前四類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。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 類放大器。而 D 類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。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。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)。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。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 )。方法很簡(jiǎn)單，只需要用一個(gè)低通濾波器。 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。 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。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。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。 EMI 處理 D類放大器輸出的高頻分量值得認(rèn)真考慮。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。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。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。 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類放大器的發(fā)熱更大。 圖 58 D 類放大器 3. 輔助散熱 當(dāng) D 類放大器在較高的環(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。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。 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)稱三角波幅度為 1v(Vp_p＝ 2V)。 驅(qū)動(dòng)電路 電路如圖 516 所示。 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。 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。 MAX9703/MAX9704具有 80dB的高 PSRR， %的低 THD+N，以及超過(guò) 95dB的 SNR。在 D類放大器中，輸出晶體管用作電流調(diào)整開(kāi)關(guān)，消耗的額外功率可以忽略不計(jì)。H范圍內(nèi)。W/(VDD/100 x η )，只有幾個(gè)微安。典型的 8?揚(yáng)聲器等效串聯(lián)電感在 30181。當(dāng)三角波輸入幅度超出相應(yīng)的比較器輸入電壓時(shí)，比較器的輸出翻轉(zhuǎn)。 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。 因輸出功率稍大于 l w，屬小功率輸出，可選用功率相對(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管， IRFDl20 和 IRFD9120 VMOS 對(duì)管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。根據(jù)開(kāi)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。 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。 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(duì)功放在低電壓下正常工作的要求。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(shí)現(xiàn)更高效的散熱。雖然對(duì)整體熱性能的改善不到 10%，但這樣的改善卻 會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)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。因此，測(cè)量系統(tǒng)的熱性能時(shí)，最好使用實(shí)際音頻信號(hào)而非正弦波作為信號(hào)源。 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。 電感器設(shè)計(jì)考慮因素：設(shè)計(jì)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。當(dāng)非重疊時(shí)間結(jié)束時(shí)，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪?。這樣至少會(huì)處理一部分失真源，但不是全部。 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。這個(gè)問(wèn)題通常通過(guò)欠壓封鎖電路來(lái)處理，只有當(dāng)電源電 壓大于欠壓封鎖閾值時(shí)才允許輸出級(jí)工作。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(kāi)關(guān)損耗決定。但此時(shí)晶體管的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨頻率上升而上升，無(wú)源器件小的高頻損耗、射頻的趨膚效應(yīng)都會(huì)使整機(jī)效率下降。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(guò)的電流來(lái)決定。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)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(kāi)關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通 *理想晶體管因?yàn)闆](méi)有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會(huì)有很小的飽和壓降而消耗部分電能。 （ 5）能量轉(zhuǎn)換效率極高，體積小，可靠性高。建模過(guò)程中，各級(jí)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。因?yàn)閾P(yáng)聲器是感性負(fù)載，對(duì)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)。對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)電池壽命。但是，信號(hào)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(hào)中諧波成分增加，這兩個(gè)要求矛盾。 9 3 放大器的簡(jiǎn)介 功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類。 近年來(lái)，國(guó)外的公司對(duì) D類功率放大器進(jìn)行了研究和開(kāi)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(huì)產(chǎn)生一定的問(wèn)題，同時(shí)， D 類功率放大器對(duì)器件的要求較高，不利于降低成本。因?yàn)槠湫枰獦O高的精確度，但在如何解決脈沖調(diào)制放大在工作時(shí)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。 關(guān)鍵詞 : D類放大器 脈寬調(diào)制 高速開(kāi)關(guān)電路 低通濾波 3 目錄 1 引 言 ............................................................. 5 2 音響的基礎(chǔ)知識(shí) .................................................... 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(jiǎn)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(hào)抽樣―― PWM 波的形成仿真 ............................. 17 輸出信號(hào) PWM 波的頻譜仿真分析 ................................. 17 D 類功放的優(yōu)點(diǎn) ................................................. 18 5 D 類功放的硬件設(shè)計(jì) ............................................... 19 D 類功放的設(shè)計(jì)原理 ............................................. 19 D 類功放的設(shè)計(jì)要素 ................................