【文章內(nèi)容簡介】 輸入信號抽樣―― PWM 波的形成仿真 圖 4－ 6 PWM 波的形成仿真 輸出信號 PWM 波的頻譜仿真分析 圖 4－ 7 傅里葉分析的設(shè)置 14 D 類功放的優(yōu)點(diǎn) 在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時連續(xù)輸出電流的晶體管。實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型包括 A 類放大器， AB 類放大器和 B 類放大器。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。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?yàn)榈凸漠a(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 。 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： （ 1） 能量轉(zhuǎn)換效率極高，體積小，可靠性高。耗電量僅為同功率等級模擬放大器的三分之一。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。而 B 類放大器效率僅為 78%（理論值）， A 類功放的效率就更低。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。 （ 2） 無過零失真。傳統(tǒng)功放一般都存在由于對管配對及各級調(diào)整不佳產(chǎn)生的過零，交越失真 。 （ 3）瞬態(tài)響應(yīng)好，即“動態(tài)特性”好。由于它不需傳統(tǒng)功放的靜態(tài)電流消耗，所有能量幾乎都是為 音頻輸出而儲備，加之無模擬放大、無負(fù)反饋的牽制，故具有更好的“動力”特征。 （ 4） 高、中、低頻無相對相移，聲音清晰透明，聲像定位準(zhǔn)確。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。 （ 5） 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，直接以數(shù)字信號進(jìn)行放大，體現(xiàn)了與數(shù)字音源的完美結(jié)合。 （ 6）適合于大批量生產(chǎn)。產(chǎn)品的一致性好，生產(chǎn)中無需調(diào)試，只要保證元器件正確安裝即可。 15 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。認(rèn)為 A類功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。但是， A類功放的低效率和高損耗卻是它無法克服的先天頑跌。 B類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)備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大功率功放場合，仍感效率偏低不能令人滿意。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。 由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，原來用分立幾件制作的很復(fù)雜的調(diào)制電路，現(xiàn)在無論在技術(shù)上還是在價格上均已不成 問題。而且近年來數(shù)字音響技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn) D類功放與數(shù)字音響有很多相通之處，進(jìn)一步顯示出 D類功放的發(fā)展優(yōu)勢。 D類功放是放大力件處于開關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無倍號輸入時放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。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?yàn)闆]有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場合。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 )。 D類功放實(shí)際上只具有開關(guān)功能，早期僅用于繼電器和電機(jī)等執(zhí)行元件的開關(guān)控制電路中。然而，開關(guān)功能 (也就是產(chǎn)生數(shù)字信號的功能 )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。 20 世紀(jì) 60 年代，設(shè)計(jì)人員開始研究 D類功 放 用于音頻的放大技術(shù)， 70 年代 Bose 公司就外始生產(chǎn)D類汽車功放。一方面汽車用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無法放入有大散熱板結(jié)構(gòu)的功故，兩者都希望有 D 類這樣高效的放大器來放大音頻信號。共今關(guān)鍵的一步就 是村音頻信號的調(diào)制。 圖 51 是 D 類功放的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個部分： 16 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(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號加上一定直流偏置后故在運(yùn)放的正輸入端，另通過自激振蕩生成一個三角形波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零、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)的時間一樣，輸出就是一個占空比為 1﹕ 1的方波。當(dāng)有音頻信號輸入時，正半周期間，比較器輸出高電平的 時間比低電乎長，方波的占空比大于 1： 1，負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少，方被占空比小于 1： 1。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形，稱為 PWM(Pulse Width Modulation 脈寬調(diào)制 )或 PDM(Pulse Duration Modulation 脈沖持續(xù)時間調(diào)制 )波形。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。 第二部分就是 D類功故，這是一個脈沖控制的大電流開關(guān)放大器，把比較器輸出的 PWM 信號變成高電 壓、大電流的大功率 PWM信號。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。 第三部分需把大功率 PWM 波形中的聲音信息還原出來。方法很簡單，只需要用一個低通濾波器。但由于此時電流很大， RC 結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用 Lc 低通濾波器。當(dāng)占空比大于 1： 1 的脈沖到來時， C 的充電時間大子放電時間，輸出電平上升；窄脈沖到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相 — 致，所以原音頻傳號被恢復(fù)出來，見圖52。 17 圖 52 模擬 D 類功放工作原理 D 類功放設(shè)計(jì)考慮的角 度與 AB類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太大意義，更重要的是開關(guān)響應(yīng)和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號的幾十倍，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。另外，整機(jī)的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所隊(duì)飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結(jié)構(gòu)也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價格昂貴，在一定程度上限制了 D 類功放的發(fā)展?，F(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。 調(diào)制電路也是 D類功放的一個特殊環(huán)節(jié)。要把 20KHz 以下的音頻調(diào)制成 PWM信號，三角波的頻率至少要達(dá)到 200KHz。頻率過低達(dá)到同樣要求的 THD 標(biāo)準(zhǔn)，對無源 LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加接近原波形， THD 就小，而且可以用低數(shù)值、小體積和精度要求相對差一些的電感和電容來制成濾波器，造價相應(yīng)降低。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。更高的調(diào)制頻率還會出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于 1MHZ。 同時，三角波形的 形狀、頻率的準(zhǔn)確性和時鐘信號的抖晃都會影響到以后復(fù)原的信號與原信號不同而產(chǎn)生失真。所以要實(shí)現(xiàn)高保真，出現(xiàn)了很多與數(shù)字音響保真相同的考慮。 還有一個與音質(zhì)有很大關(guān)系的因素就是位于驅(qū)動輸出與負(fù)載之間的無源濾波器。該低通濾被器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。嚴(yán)格地講，設(shè)計(jì)時應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)去，但作為一個功放產(chǎn)品指定音箱是行不通的，所以 D類功放與音箱的搭配小更有發(fā)燒友馳騁的天地。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)失真要求在 ％ 18 以下時，用二階 Butterworth 最平坦響應(yīng)低通濾波器就能達(dá)到要求。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。 類功放電路分析與計(jì)算 脈寬調(diào)制器（ PWM） 1． 方案論證與比較 方案一：可選用專用的脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題發(fā)揮部分的實(shí)現(xiàn) 方案二：采用圖 512 所示方式來實(shí)現(xiàn)。三角波產(chǎn)生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分的功能清晰，實(shí)現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。 若合理的選擇器件參數(shù)，可使其能在較低的電壓下工作，故選用此方案。 圖 512 脈 寬調(diào)制器 2． 三角波產(chǎn)生電路 該電路我們采用滿幅運(yùn)放 TLC4502 及高速精密電壓比較器 LM311 來 實(shí)現(xiàn) (電路如圖 513 所示 )。 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。 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，輸出端對載頻的衰減大于 60dB，能滿 19 足題目的要求，所以我們選用載波頻率為 150 kHz。 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 時設(shè)定輸出的對稱三角波幅度為 1v(Vp_p＝ 2V)。若選定R10 為 100 kΩ，并忽略比較器高電平時 R11 上的壓降，則 R9 的求解過程如下： ()/100=1/R9, R9=100/=40KΩ 取 R9 為 39kΩ。 選定工作頻率為 f=150kh，并選 R7+R6=20kΩ，則電容 C3 的計(jì)算過程如下：對電容的恒流充電或放電電流為 I=()/R7+R6=(R7+R6) 則電容兩端最大電壓值為 167404 )( 14 TRRCIdCV T tc ??? ? 其中 T1 為半周期， T1 =T/2=1/2f。 VC 4 的最大值為 2V，則 2=(R7+R6) 1/2f C4=(R7+R6)4f= 1000 4 150 1000≈ 取 C4=220pF,R7=10KΩ ,R6 采用 20KΩ可調(diào)電位器。使振蕩器頻率 f 在 150KHz 左右有較大的調(diào)整范圍。 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 個電阻均取 10KΩ。 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。 20 圖 514比較器電路 前置放大器 電路如圖 515 所示