【正文】 ............. 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(jì) ................................................ 26 系統(tǒng)成本 ..................................................... 27 散熱注意事項(xiàng) ................................................. 27 D 類功放電路分析與計(jì)算 ......................................... 31 脈寬調(diào)制器（ PWM） ............................................ 31 前置放大器 ................................................... 33 驅(qū)動(dòng)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(shí)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(tái)以及數(shù)字效果器、壓限器、激勵(lì)器等周邊設(shè)備也被一些專業(yè)場所使用。 D類功率放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，理論效率可達(dá) 100%，實(shí)際的運(yùn)用也可達(dá)80%以上。 放大器的電壓增益相對于中音頻 f0 (1KHz)的電壓增益下降 3dB時(shí)所對應(yīng)的低音音頻 fL 和高音音頻 fH 稱為放大器的頻率響應(yīng)。其情況如圖 33, 34。放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。脈沖串在由晶體管放大 后，便由 LC 低通濾波器進(jìn)行平滑處理，從而恢復(fù)為原有的音樂波形。 EDA技術(shù)代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向。由于采用無負(fù)反饋的放大電路、數(shù)字濾波器等處理技術(shù)，可以將輸出濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)得較高，從而保證在 20Hz~20kHz 內(nèi)得到平坦的幅頻特性和很好的相頻特性。所以，效率極高的 D類功放，因其符合綠色華命的潮流正受著各方面的重視。若音頻輸入信號(hào)為零、直流偏置置三角波峰值的 1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時(shí)間一樣，輸出就是一個(gè)占空比為 1﹕ 1的方波。現(xiàn)在小電流控制大電流的 MOSFET 已普遍運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是近年來 UHC MOSFET 已在 HiFi 功放上應(yīng)用，器件的障礙已經(jīng)消除。當(dāng)傳導(dǎo)大的IDS 時(shí)保證 VDS 很小，要求輸出晶體管的導(dǎo)通電阻 (RON)很小 (典型值為 ～)。在比較復(fù)雜的方案中，電流傳感器輸出反饋到放大器中，試圖限制輸出電流到一個(gè)最大安全水平，同時(shí)允許放大器連續(xù)工作而無須關(guān)斷。 24 失真機(jī)理 : 失真機(jī)理包括調(diào)制技術(shù)或調(diào)制器實(shí)現(xiàn)中的非線性，以及為了解決沖擊電流問題輸出級所采用的死區(qū)時(shí)間。在集成電路放大器實(shí)現(xiàn)中，這會(huì)增加管芯成本。通常這個(gè)電荷來自儲(chǔ)能電容，從而形成一個(gè)包含兩個(gè)電容的電流環(huán)路。要獲得最佳濾波器設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)總是爭取使用精確 的揚(yáng)聲器模型。 D類放大器的低功耗節(jié)省了散熱裝置的成本 (以及 PCB 面積 )，例如，散熱片或風(fēng)扇。通常情況下，語音的峰值與 RMS 功率之比 (即波峰因數(shù) )為 12dB，而音樂的波峰因數(shù)為 18dB 至 20dB。該敷銅塊應(yīng)該在滿足系統(tǒng)信號(hào)走線的要求下具有盡可能大的面積。本例中，假設(shè) D 類放大器的輸出電流為 2A，電源電壓范圍為 5V 至 24V。但是，如果能夠遵循良好的設(shè)計(jì)原則并且設(shè)定合理的設(shè)計(jì) 目標(biāo)，使用 D類放大器可使音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡單。 當(dāng)功放輸出的最大不失真功率為 1w時(shí)，其 8Ω上的電壓 V PP_ =8v，此時(shí)送給比較器音頻信號(hào)的 V PP_ 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干 l w，其電壓增益要略大干 4)。 晶體三極管需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，并存在儲(chǔ)存時(shí)間，開關(guān)特性不夠好，使整個(gè)功放的靜態(tài)損耗及開關(guān)過程中的損耗較大； IGBT 管的最大缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降太大。 (a)雙極性 PWM (b) 單極性 PWM 圖 524 輸出削波之前 39 (a)雙極性 PWM (b) 單極性 PWM 圖 525 輸出中等幅度 (a)雙極性 PWM (b) 單極性 PWM 圖 526 殘余高頻噪聲 從以上各圖可以看出，在相同條件下，單極性 PWM比雙極性 PWM波形清晰，高頻包絡(luò)成分少，高頻噪聲僅有雙極性 PWM 的 1/16。 圖 532所示為數(shù)字功放中低通濾波器可能出現(xiàn)的位置及作用。這些器件以D類效率提供 AB類放大器的性能，占用最小的電路板空間。由于省去了輸出濾波器，可以獲得更 小、更便宜、效率更高的方案。這是 D類放大器功率轉(zhuǎn)換的結(jié)果。關(guān)斷時(shí)， VREG不能提供邏輯高電平電壓。濾波器增加了成本，也增大了放大器的尺寸，并會(huì)降低效率。 C擴(kuò)展級溫度范圍內(nèi)。 PWM 頻率為幾百 kHz，比音頻信號(hào)帶寬20~20kHz 大得多，為了從 PWM 開關(guān)信號(hào)中恢復(fù)出音頻信號(hào)，通常采用低通濾波器（ LPF），低通濾波器頻率特性如 圖 529所示。對 LC 濾波器設(shè)計(jì)來說，上述幾方面要求是相互矛盾：選擇 L、 C 的參數(shù)較小，可以得到寬頻帶平直的響應(yīng)曲線，但濾波后殘余的 PWM 高頻噪聲幅度較大，高頻噪聲超出音頻范圍，對聽感不會(huì)造成太大影響，但導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾；如果選擇 L、 C 的參數(shù)較大，可以將高頻噪聲降至較低水平，但頻響范圍變小，頻響曲線不平坦，在特定頻率段會(huì)造成很大幅度的電壓抬升。 圖 517 推挽單端輸出電路 方案二 ：選用 H 橋型輸出方式 (電路如圖 518 所示 )。 3． 比較器 選用 LM311 精密、高速比較器， 電路如圖 ， 供電為 5v單電源， 給 V? ＝ V? 提供 2． 5v 的靜態(tài)電位，取 R12 ＝ R15 ， R13 ＝ R14 ， 4個(gè)電阻均取 10KΩ。因此必須考慮系統(tǒng)的總阻抗以確保足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力和散熱性能。該散熱片焊接在 PCB 上，是兼顧尺寸、成本、裝配方 便性和散熱性能的理想選擇。本文的案例中，敷銅層與散熱焊盤的右上方和右下方相連 (如圖 57)。 1. 連續(xù)正弦波與音樂 在實(shí)驗(yàn)室評估 D類放大器性能時(shí)，常使用連續(xù)正弦波作為信號(hào)源。 最后，不要忘記所使用的電感器的形狀也會(huì)影響 EMI，正如上面所提到的。 LC 濾波器設(shè)計(jì) 為了節(jié)省成本和 PCB 面積，大多數(shù) D 類放大器的 LC 濾波器采用二階低通設(shè)計(jì)。 一條有用的原則是將承載高頻電流的環(huán)路面積減至最小，因?yàn)榕c EMI相關(guān)的強(qiáng)度與 環(huán)路面積及環(huán)路與其它電路的接近程度有關(guān)。LC 濾波器非線性可通過在反饋環(huán)路中包括的揚(yáng)聲器進(jìn)行衰減。 “卡搭”聲：當(dāng)放大器導(dǎo)通或斷開時(shí)發(fā)出的卡搭聲非常討厭。 輸出晶體管過流 : 如果輸出級和揚(yáng)聲器端正確連接，輸出晶體管呈低導(dǎo)通電阻狀態(tài)不會(huì)出現(xiàn)問題，但如果這些結(jié)點(diǎn)不注意與另一個(gè)結(jié)點(diǎn)或正、負(fù)電源短路，會(huì)產(chǎn)生巨大的電流。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)失真要求在 ％22 以下時(shí)，用二階 Butterworth 最平坦響應(yīng)低通濾波器就能達(dá)到要求。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號(hào)的幾十倍，且要求保 持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關(guān)響應(yīng)要好。共今關(guān)鍵的一步就是村音頻信號(hào)的調(diào)制。 19 5 D 類功放的硬件設(shè)計(jì) D 類功放的設(shè)計(jì)原理 在音響領(lǐng)域里人們一直堅(jiān)守著 A 類功放的陣地。與 D 類放大器設(shè)計(jì)相比較，即使是最有效的線性輸出級，它們的輸出級功耗也很大。 15 圖 43 PWM 波的頻譜 D 類功放的 EDA仿真 EDA 仿真概述 EDA（ Electronic Design Automation ）是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成功的電子 CAD 通用軟件包。采用脈寬調(diào)制后，音頻信號(hào)便成為一系列的用“ 0”和“ 1”表示的寬度可變的脈沖串，脈沖的寬度越寬，信號(hào)的幅度就越大。 D類放大器與線性音頻放大器（如 A類、 B 類和 AB 類）相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。 圖 31 A類放大器 2. B 類放大器 10 圖 32 B 類放大器 靜態(tài)置偏為 Q 點(diǎn)，處于截止點(diǎn)上，因此信號(hào)輸入時(shí)，只有半周導(dǎo)通 (導(dǎo)通角為 90 度 ) ，如圖 32所示， 。 放大器的技術(shù)指標(biāo) : 音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值 (r1%)的最大功率稱為額定功率，表達(dá)式； P0 = U0 2 /RL , U0 為負(fù)載兩端的最大不失真電壓， RL 為額定負(fù)載阻抗。此外，模擬功率放大器還存在以下的缺點(diǎn) : ，成本高。本系統(tǒng)以高效率 D 類功率放大器為核心，輸出開關(guān)管采用高速VMOSFET 管，連接成互補(bǔ)對稱 H橋式結(jié)構(gòu)，最大不失真輸出功率大于 1W，平均效率可達(dá)到 70％左右。工作在開關(guān)狀態(tài)下的 D類功率放大器卻很容易實(shí)現(xiàn)，大功率，高效率，低失真。 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù) 前置放大器和功率放大器，前置放大器承擔(dān)控制任務(wù)為主，對各種節(jié)目源信號(hào)進(jìn)行選擇和處理，對微弱信號(hào)放大到 ，進(jìn)行各種音質(zhì)控制，以美化音色。因此，它不能直接輸入模擬音頻信號(hào)，而是需要某種變換后再放大。事實(shí)上由于關(guān)斷時(shí)器件尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時(shí)，器件并未完全短路，尚有一定管壓降，故存在較少直流損耗，效率不能達(dá) 100%，實(shí)際在 8090%,是實(shí)用放大器中效率最高的。根據(jù)市場需要，一些制造商改進(jìn)了 D 類放大技術(shù)，使 D類放大器具有更理想價(jià)格的同時(shí)，也具備了與 AB 類放大器相近的音頻性能。 D類功放使用的開關(guān)管采用功率型 MOSFET，即大功率場效應(yīng)管，并為保證足夠的激勵(lì)電壓而設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路，使 FET 能充分的開啟和關(guān)斷。 圖 4－ 5 D類放大器的仿真電路 17 其中輸入信號(hào)為 1KHz 的正弦波，抽樣信號(hào)為 200KHz 由的三角波，由 EWB中的信號(hào)發(fā)生器提供，幅度為 2V，占空比為 50％；電壓比較器采用 EWB 中的理想運(yùn)算放大器，輸出的極值為－ 5V～＋ 5V；場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路采用理想場效應(yīng)管構(gòu)成的開關(guān)放大電路；低通濾波器為 LC 二階濾波器。由于 D 類功放極高的效率，半導(dǎo)體器件的溫升明顯減小，失真率也就顯著減小。然而，開關(guān)功能 (也就是產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的功能 )隨著數(shù)字音頻技術(shù)研率的不斷深入，用于 Hi— F1 音頻放大的道路卻口益暢通。當(dāng)占空比大于 1： 1的脈沖到來時(shí)， C