【文章內(nèi)容簡介】 樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或D類放大器。D類功放的放大晶體管一經(jīng)開啟即直接將其負載與供電器連接，電流流通但晶體管無電壓，因此無功率消耗。當(dāng)輸出晶體管關(guān)閉時，全部電源供應(yīng)電壓即出現(xiàn)在晶體管上，但沒有電流，因此也不消耗功率，故理論上的效率為百分之百。D類功放最大的優(yōu)點是效率最高，供電器可以縮小，幾乎不產(chǎn)生熱量，因此無需大型散熱器，機身體積與重量顯著減少，理論上失真低、線性佳。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，提供所需要的音量和功率水平一保證復(fù)現(xiàn)的忠實性、高效率以及低失真度。在這一任務(wù)面前，D類放大器表現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢。采用晶體管作為開關(guān)有可能提供大為改善的效率，但由于現(xiàn)實開關(guān)的不完全理想使得在實際中實現(xiàn)這一可能性并不總是那么容易。相關(guān)的功耗將使效率降低。為了防止總的損耗，開關(guān)相對于工作頻率必須非?？臁．?dāng)載波頻率很高時，滿足這一要求的困難將會更大。E類放大器采用高階電抗網(wǎng)絡(luò)提供足夠的自由度來改變開關(guān)電壓波形，使它在開關(guān)導(dǎo)通時的值和斜率均為零，從而降低了開關(guān)損耗。但它對于關(guān)斷過渡沒有任何作用，而關(guān)斷過渡的邊沿常常是更成問題的。并且E類放大器具有很差的歸一化功率傳遞能力，因此盡管這一類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一定數(shù)量的功率傳送到負載。F類功率放大器利用電抗終端阻抗的特性可以對晶體管漏端電壓或電流中的諧波成分進行控制，歸整晶體管漏端的電壓或電流波形，使得它們沒有重疊區(qū)，減小開關(guān)的損耗，提高功率放大器的效率。偏置電壓、輸入信號驅(qū)動方式和輸出網(wǎng)絡(luò)共同決定了功率放大器的類型。對于小輸入信號，根據(jù)導(dǎo)通角的不同，功率放大器的工作類型可為A、AB、B和C類，其中導(dǎo)通角由晶體管的閾值電壓和偏置電壓決定，可通過減小導(dǎo)通角來提高功率放大器的效率，但輸出功率將同時減小。對于大輸入驅(qū)動信號，器件工作在開關(guān)狀態(tài)下，其高效率以線性度為代價，如D類、E類和F類功率放大器。A類功率放大器提供了很好的線性度，但效率很低；B類和AB類功率放大器通過減少一個周期中晶體管工作的時間來提高效率，同時保持了線性調(diào)制的可能性；，但由于開關(guān)速度不是無窮大，有較大的切換功耗；E類功率放大器解決了在導(dǎo)通過渡中的功耗問題，但在關(guān)斷過渡中具有更大的功耗，并且具有極差的歸一化功率傳遞能力；F類功率放大器的缺點是需要較復(fù)雜的電抗網(wǎng)絡(luò)。C類放大器以線性度為代價可以達到很高的效率，可應(yīng)用在恒包絡(luò)調(diào)制的射頻系統(tǒng)中。各類功率放大器的主要性能指標(biāo)如表21所示。表21 各類放大器性能比較放大器種類保真度最大效率模擬A極好25%AB好＜75%B一般%開關(guān)D不好100%E不好F不好3 D類功率放大器原理 D類放大器的特點(1)高效率。常見的模擬放大器的效率在50％左右，剩下的主要作為熱量被消耗。而D類放大器的效率可達到8090％，不僅不浪費能量，有效地利用電源，還能得到較大的功率輸出。(2)低發(fā)熱。以前的高發(fā)熱模擬放大器，封裝大，需要大的散熱板，因此需要較大的空間。而D類放大器發(fā)熱少，能作小型封裝。同時，不用散熱板，從而能節(jié)省空間。(3)低消耗電力。D類放大器效率高發(fā)熱少，能減少不必要的功率消耗。在使用電池和干電池供電的應(yīng)用中，可保持長時間持續(xù)供電。因為當(dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時具有零電流，并且在導(dǎo)通時具有很低的VDS，因而產(chǎn)生較小的功耗IDSVDS。和AB類音頻放大器相反，D類音頻放大器在一個給定時間內(nèi)向負載提供一個固定量的功率。D類放大器產(chǎn)生一個可使輸出電壓在電源軌之間切換的PWM信號，從而能在向負載提供驅(qū)動電流時僅在輸出晶體管上產(chǎn)生很小的壓降。D類放大器H橋中的理想輸出晶體管，可擁有等于零的(“開”態(tài)漏源電阻，即導(dǎo)通電阻)及無窮大的(“關(guān)”態(tài)漏源電阻，即關(guān)斷電阻)。圖31 D類放大器簡化H橋如圖31所示，電流從電源通過第一個狀態(tài)為“開”的MOSFET，再流過負載，最后流過后一個狀態(tài)為“開”的MOSFET。由于兩個MOSFET均完全飽和，為“開”態(tài)，因此在其上只有很小的壓降。分壓電路由,及輸出負載或揚聲器組成，MOSFET的極小，因此它上面幾乎沒有什么壓降；相反，“關(guān)”態(tài)MOSFET的值卻很大，因此可忽略通過它們的電流。由此可見，D類放大器具有很高的效率，因為和AB類放大器相比，只有極少量的功率被輸出MOSFET消耗掉。由于D類音頻功率放大器只工作在“0、l”狀態(tài)，其功率開關(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％。所以D類音頻功率放大器是高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器。D類放大器與開關(guān)模式電源的工作方式相似，其中輸出MOSFET要么是完全啟動(飽和)，要么是完全關(guān)閉(切斷)的。因而可以減小晶體管的功率損耗，增加放大器的效率。但在開關(guān)時間和非開關(guān)時間中總會有一定的功率損失(開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗)。出現(xiàn)在開關(guān)時間內(nèi)的損耗是由于MOSFET的上升時間和下降時間大于零。出現(xiàn)這種情況有幾個原因。第一，輸出晶體管的開關(guān)并非即時完成。從漏極到源極的通道需要一定的形成時間。第二，晶體管柵極電容和寄生電阻形成RC時間常量，也增加了上升時間和下降時間。在非開關(guān)時間中的功耗是由于每個MOSFET的和晶體管中的電流導(dǎo)致的。但總體而言，D類放大器的功率損耗是最小的，正是由于該類器件的開關(guān)特性，使放大器實現(xiàn)了高得多的效率。D類功放的功率損耗(簡稱功耗)主要由兩部分組成：開關(guān)損耗和發(fā)熱損耗。其中開關(guān)損耗就是輸出級瞬間工作在線性區(qū)的電壓電流乘積，而發(fā)熱損耗是電流流過導(dǎo)通管時由熱效應(yīng)引起的，其值等于電流平方和通態(tài)電阻的乘積。在電源電壓為額定值時，D類功放的效率高達80％90％，對于語言和音樂信號，其實用效率為65％80％，約等于AB類的2倍。 D類功率放大器的性能指標(biāo)音頻功率放大器的三個關(guān)鍵指標(biāo)一總諧波失真(THD)、信噪比SNR(Signal Noise Ratio)和功率效率，使D類技術(shù)相對于模擬技術(shù)具有無可爭議的優(yōu)勢。(1)功率效率在輸入信號的作用下，直流電源提供的直流功率中，一部分被轉(zhuǎn)換為輸出信號功率，其余部分將消耗在功率放大器中，形成功率放大器的損耗。放大器的功率效率定義為：由上式可知，越大，給定功率時所需的就越小，相應(yīng)地就越小，可選用PCM小的功率管，體積小的散熱器。由此可見，在輸出功率一定的條件下，提高效率就意味著電源供給功率和放大器損耗功率下降。這對于降低能源損耗和成本，減小功率放大器體積具有非常重要的意義。(2)失真失真是指功放的聲頻信號波形發(fā)生了不應(yīng)有的變化。失真有諧波失真、互調(diào)失真、交叉失真、削波失真等。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，這種非線性會使聲頻信號產(chǎn)生許多新的諧波成分。其失真大小是以輸出信號中所有諧波的有效值與基波電壓的有效值之比的百分數(shù)來表示，諧波失真度越小越好。②互調(diào)失真：當(dāng)功放同時輸入兩種或兩種以上頻率的信號時，由于放大器的非線性，在輸出端會產(chǎn)生各頻率以及諧波頻率之間的和頻及差頻信號，這些新增加的頻率成分構(gòu)成非線性失真。③交叉失真：又稱交越失真，是由于功率放大器的B類推挽放大器功放管起始導(dǎo)通的非線性造成的，它也是造成互調(diào)失真的原因之一。④削波失真：是功放管飽和時，信號被削波，輸出信號幅度不能進一步增大而引起的一種非線性失真。一個理想的D類功放沒有失真，在可聽波段沒有噪音且效率是100％。然而，實際的D類功放并不完美并且會有失真和噪音。其不完善是由于D類功放產(chǎn)生的失真開關(guān)波形造成的。原因有：ⅰ從調(diào)制器到開關(guān)級由于分辨率限制和時間抖動而導(dǎo)致的PWM信號中的非線性。ⅱ加在柵極驅(qū)動上的時間誤差，如死區(qū)時間，開通關(guān)斷時間，上升下降時間。ⅲ開關(guān)器件上的不必要特征，比如限定電阻，限定開關(guān)速度或晶體二極管特性。ⅳ雜散參數(shù)導(dǎo)致過渡邊緣的振蕩。ⅴ由于限定的輸出電阻和通過直流供電的能量的反作用而引起電源電壓波動。ⅵ輸出LPF中的非線性。一般來講，在柵極信號中的開關(guān)時間誤差是導(dǎo)致非線性的主要原因。特別是死區(qū)時間嚴重影響了D類功放的線性度。幾十納秒少量的死區(qū)時間很容易產(chǎn)生1％以上的THD。產(chǎn)生失真的機制包括調(diào)制技術(shù)或者調(diào)制器實現(xiàn)方案中的非線性——以及為了防止直通(shootthrough)電流問題而在輸出級引入的“死區(qū)”(dead time)。關(guān)于音頻信號強度的信息通常是通過D類調(diào)制器輸出脈沖的寬度來編碼的。為了防止輸出級的直通電流而引入死區(qū)，就會帶來非線性的定時誤差，這又會在揚聲器上產(chǎn)生與相對于理想脈沖寬度的定時誤差成正比的失真量。為了最大限度減小失真，避免直通而引入的死區(qū)時間應(yīng)該盡可能縮短。其它的失真源包括輸出脈沖的上升和下降時間的不匹配、輸出晶體管柵極驅(qū)動電路的定時特性的不匹配以及LC低通濾波器的元件的非線性。在電源波動抑制能力方面，電源噪聲幾乎可以在受到很小的抑制的情況下，直接耦合到揚聲器上。之所以如此，是因為輸出級的晶體管將電源通過一個很小的電阻直接連接到低通濾波器上。濾波器可以抑制高頻噪聲，但可以通過所有音頻分量，包括噪聲。D類放大器輸出的高頻分量值得認真考慮。如果不正確理解和處理，這些分量會產(chǎn)生大量EMI并且干擾其它設(shè)備的工作。兩種EMI需要考慮：輻射到空間的信號和通過揚聲器及電源線傳導(dǎo)的信號。D類放大器調(diào)制方案決定傳導(dǎo)EMI和輻射EMl分量的基線譜。但是，可以使用一些板級的設(shè)計方法減少D類放大器發(fā)射的EMI，而不管其基線譜如何。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，因為與EMI相關(guān)的強度與環(huán)路面積及環(huán)路與其它電路的接近程度有關(guān)。另一個要注意的地方是當(dāng)輸出級晶體管柵極電容開關(guān)時會產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。通常這些電荷來自儲能電容，從而形成一個包含兩個電容的電流環(huán)路。通過將環(huán)路面積減至最小可降低環(huán)路中瞬態(tài)EMI的影響，意味著儲能電容應(yīng)盡可能靠近晶體管對它充電。有時，插入與放大器電源串聯(lián)的RF扼流線圈很有幫助。正確布置它們可將高頻瞬態(tài)電流限制在靠近放大器的本地環(huán)路內(nèi)，而不會沿電源線長距離傳導(dǎo)。如果柵極驅(qū)動非重疊時間非常長，揚聲器或LC濾波器的感應(yīng)電流會正向偏置輸出級晶體管端的寄生二極管。當(dāng)非重疊時間結(jié)束時，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪?。在二極管完全斷開之前，會出現(xiàn)大的反向恢復(fù)電流尖峰，從而產(chǎn)生麻煩的EMI源。通過保持非重疊時間非常短(還建議將音頻失真減至最小)使EMI減至最小。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。這很有幫助，因為Schottky二極管的金屬半導(dǎo)體結(jié)本質(zhì)上不受反向恢復(fù)效應(yīng)的影響。由于D類的工作模式不同于AB類，會產(chǎn)生某些高頻諧波。雖然這些諧波頻率遠遠高于可聽波頻率，不能被人耳所聽到但可能會對RF等高頻信號產(chǎn)生干擾，這就是D類技術(shù)必須面臨的一大挑戰(zhàn)一電磁干擾。與大多數(shù)開關(guān)應(yīng)用一樣，在D類放大器設(shè)計中，工程師必須注意EMI性能。主要的EMI源來自MOSFET。體二極管自頂部流向底部的反向恢復(fù)充電。在插入以阻止電流直通的死區(qū)時間內(nèi)，體二極管由輸出LPF中的電感電流打開。在下個時段，當(dāng)MOSFET的另一邊開始打開時，除非存儲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)。這個反向恢復(fù)電流具有尖峰形狀，并由于PCB板和封裝中的分布電容而引起不希望的振蕩。因此，對可靠的設(shè)計和降低EMI來說，PCB的布局都是至關(guān)重要的。同時在技術(shù)上對D類音頻功放增加輸出MOSFET的柵極控制電路，防止了傳統(tǒng)D類放大器中感性負載自激所引起的高頻輻射，大大降低了電磁干擾。（3）信噪比為了避免放大器背景噪聲能造成人耳可以聽到的咝咝聲，在便攜式應(yīng)用中的低功率放大器的SNR往往要大于90dB，而用于中等功率和大功率設(shè)計的放大器的SNR應(yīng)分別為100dB和110dB以上。多種類型的放大器實現(xiàn)方案都可以做到這一點，但在放大器設(shè)計中應(yīng)該追蹤各個噪聲源，以確?？偟腟NR達到令人滿意的程度。線性功放增益不受供電電壓影響而變化，然而D類功放的增益是和供電電壓成比例的。這就意味著D類功放的電源抗擾比率是0dB，而線性的PSRR(電源電壓抑制比)就很好。在D類功放中普遍用反饋來補償供電電壓變化。幸運的是，這些問題有兩種解決方案。如果音響設(shè)計者使用帶很高環(huán)路增益的反饋的話(正如許多線性放大器設(shè)計)，會大大提高電路性能。來自于LC濾波器輸入的反饋將大大改善PSR，并衰減所有的非LC濾波器失真。LC濾波器的非線性可以通過將揚聲器也納