【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)。溫度較高的器件往往把電流導(dǎo)向其他 MOSFET，允許并行電路配置。而且， MOSFET 的漏極和源極之間形成的寄生二極管可以充當(dāng)箝位二極管，在電感性負(fù)載開關(guān)中特別有用。 場效應(yīng)管的工作模式 場效應(yīng)管有兩種工作模式，即開關(guān)模式或線性模式。所謂開關(guān)模式，就是器件充當(dāng)一個簡單的開關(guān)，在開與關(guān)兩個狀態(tài)之間切換。線性工作模式是指器件工作在某個特性曲線中的線性部分，但也未必如此。此處的 線性 是指 MOSFET 保持連續(xù)性的工作狀態(tài)，此時漏電流是所施加在柵極和源極之間電壓的函數(shù)。他的線性工作模式與開關(guān)工作模式之間的區(qū)別是，在開關(guān)電路中， MOSFET 的漏電 流是由外部元件確定的，而在線性電路設(shè)計中卻并非如此。 D類放大器需要兩只 MOSFET，他們在非常短的時間內(nèi)可完全工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下。當(dāng)一只 MOSFET 完全導(dǎo)通時，其管壓降很低；而當(dāng) MOSFET 完全截止時，通過管子的電流為零。兩只 MOSFET 交替工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的開關(guān)速度非常快，因而效率極高，產(chǎn)生的熱量很低，所以 D 類放大器不需要散熱器。 脈寬調(diào)制 (PWM) 采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半 導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 D類數(shù)字音頻功率放大器與上述各類模擬功放的最大區(qū)別是不以線性放大音頻信號為基礎(chǔ)，而是以放大數(shù)字信號為原理的一種數(shù)字信號放大技術(shù)。 D 類數(shù)字功放首先把模擬音頻信號變換為脈沖寬度調(diào)制 (PWM)信號，如圖 21 所示。 在 PWM 轉(zhuǎn)換中，以 kHz 或 48 kHz 的取樣頻率和 8 b 或 16 b 的量化率 (即模擬 信號振幅值的讀出刻度 )進(jìn)行 A／ D(模擬／數(shù)字 )變換，然后再把 PWM 數(shù)字信號進(jìn)行高效率放大 (D 類放大 ) 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 7 由于音頻信號的信息全部包含在脈沖的寬度變化中，與脈沖的幅度變化無關(guān)，因此，只要采用截止頻率為 30～ 40 kHz 的低通慮波器就可把模擬音頻信號解調(diào)出來。 圖 21 脈沖寬度調(diào)制信號波形 圖 2 是 D 類數(shù)字功放的原理圖，為每個數(shù)字聲源直接輸出的 PCM 信號輸入，機(jī)內(nèi)還設(shè)置有一個 PCM／ PWM兩種脈沖編碼的轉(zhuǎn)換裝置。 圖 22 D 型 數(shù)字功耗的原理圖 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 8 第 3 章 D 類音頻功率放大器的研究與實(shí)現(xiàn) 為適應(yīng) CD 光碟等數(shù)字聲源直接輸出的脈沖編碼調(diào)制 (PCM)數(shù)字信號輸入，數(shù)字功放內(nèi)設(shè)有一個 PCM 轉(zhuǎn)換為 PWM 的調(diào)制轉(zhuǎn)換裝置。 D類數(shù)字功放的電源利用率可達(dá)80％以上，他的延時 (相移 )約為模擬功放的 1／ 6，但是解調(diào)出來的音頻信號交越失真較大。 D 類放大器的電路設(shè)計 D 類放大器的組成 D類放大器的架構(gòu)有對稱與非對稱兩大類，在此討論的 D類功放針對的是對功率、體積都非常敏感的便攜式應(yīng)用，因此采用 全電橋的對稱型放大器，以充分利用其單一電源、系統(tǒng)小型化的特點(diǎn)。 D 類放大器一般由積分器、 PWM 電路、開關(guān)功放電路及輸出濾波器組成，原理框圖如圖 31 所示。 圖 31 全橋 D 型放大器原理 他采用了由比較器和三角波發(fā)生器組成的固定頻率的 PWM 電路，用輸入的音頻信號幅度對三角波進(jìn)行調(diào)制，得到占空比隨音頻輸入信號幅度變化的方波，并以相反的相位驅(qū)動上下橋臂的功率管，使功率管一個導(dǎo)通時另一個截止，再經(jīng)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號，推動揚(yáng)聲器發(fā) 聲。采用全橋的 D類放大器可以實(shí)現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并可減少干擾。全橋電路負(fù)載上的電壓峰峰值接近電源電壓的 2倍，可采用單電源供電。實(shí)現(xiàn)時，通常采取 2 路輸出脈沖相位相反的方法。其輸出電壓是疊加變大的，經(jīng)過低通濾波器后，仍存在較大的負(fù)載電流，特別當(dāng)濾波器設(shè)計不好時，流過負(fù)載的電流就會更大，從而導(dǎo)致負(fù)載損耗大，降低放大器效率。 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 9 改進(jìn)型 D 類功率放大器電路設(shè)計 脈寬調(diào)制電路 (PWM)設(shè)計 H 全橋電路如圖 32 所示。 圖 32 H 全橋電路 采取改進(jìn)的 PWM 調(diào)制方案：零信號輸入時 2 路輸出的 PWM 同相，負(fù)載上的電壓為 0，當(dāng)輸入信號為正時，第一路輸出脈沖的占空比大于 50％，另一路輸出脈沖的占空比小于 50％，當(dāng)輸入信號為負(fù)時，第一路輸出脈沖的占空比小于 50％，另一路輸出脈沖的占空比大于 50％。 當(dāng)一路信號確定時，改進(jìn) PWM 方案的第二路輸出與傳統(tǒng) PWM 方案的第二路輸出相差了半個周期。采用這種 PWM 方法能夠抑制零信號輸入時的靜態(tài)損耗，從而有利于放大器效率的提高。 改進(jìn)全橋 PWM 方案的模擬實(shí)現(xiàn)方法 采 用改進(jìn) PWM 方案的全橋 D 類功率放大器結(jié)構(gòu)中， PWM 控制器是以音頻信號為基準(zhǔn)信號，對高頻 (300 kHz)的三角波進(jìn)行調(diào)制，得到脈沖寬度隨音頻幅度變化的脈沖信號。比較器可采用高速比較器實(shí)現(xiàn)，其反相輸入端接高頻三角波，同相輸入端則分別接輸入電壓放大器輸出的相位相反的音頻信號。當(dāng)輸入音頻信號電壓為 0時，輸出兩路占空比為 50％的脈沖波；輸入信號電壓為正時，一路輸出為占空比大于 50％的脈沖波，另一路輸出為占空比小于 50％的脈沖波；輸入信號電壓為負(fù)時，情況則相反。該方案在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽高效率音頻功率放大器的設(shè)計 中得到了很好的應(yīng)用。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)性能優(yōu)良，并降低了對濾波器性能的要求 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 10 改進(jìn)全橋 PWM 方案的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法 采用基于 CPLD 的數(shù)字方法來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的全橋 PWM 方案，其 PWM 變換器結(jié)構(gòu)框圖如圖 33 所示。 圖 33 CPLD 實(shí)現(xiàn) PWM 變換器原理圖 當(dāng)輸入不同的脈寬數(shù)據(jù) D8～ D0 時，變換器輸出不同脈寬的 PWM1 和 PWM2 信號。時鐘信號經(jīng) 512 進(jìn)制計數(shù)器得到進(jìn)位脈沖 C0 和 Cy2(延時 C0 半個周期 )，用以決定 PWM 信號的 頻率，其上升沿將 D 觸發(fā)器 Q 端置 1； 512 進(jìn)制計數(shù)器的數(shù)值從 0 開始不斷遞加，當(dāng)計數(shù)值與輸入脈寬寄數(shù)值相等時，比較器輸出一個負(fù)脈沖，將觸發(fā)器C 清 0。這樣實(shí)現(xiàn)了與輸入脈寬數(shù)據(jù)相對應(yīng)的 PWM 信號的輸出。在電路的實(shí)現(xiàn)中，可利用 2 路 PWM 輸出存在的規(guī)律性，以減少所需的電路資源。將 9 b 數(shù)值比較器拆分成 8 b 比較器和 1 b 比較器，這樣 2 路 PWM 輸出可共用 8 b 比較器，只是高位比較器的比較量不同，因?yàn)?PWM2 的清 0 時刻比 PWM1 的清 0 滯后了半個周期。 D 類音頻功率放大器設(shè)計需知 本文從構(gòu)成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比、 MOSFET 的選擇與功率損耗、失真和噪音產(chǎn)生、音頻性能等 D 類音頻功率放大器設(shè)計有關(guān)的基礎(chǔ)問題作分析 ,并例舉 D 類功率放大器參考設(shè)計。 D 功放是基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的開關(guān)放大器，包括脈沖寬度調(diào)制器 (幾百千赫茲開關(guān)頻率 )，功率橋電路，低通濾波器。這種類型的功放已經(jīng)展示出很好的性能，要想設(shè)計出并實(shí)現(xiàn)電源效率高于 90%， THD 低于 %，低電磁噪音的 D類功率放大器 ，或者甚至包括能將高保真音質(zhì)技術(shù)引入的 D 類的放大器，其首要的問題是掌握與D 類音頻功放設(shè)計有關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)與原理，為此本文將作其概述。 D類功放基本構(gòu)成 目前有很多種不同種類的功放 ,如： A類、 B類、 AB 類等。但 D 類功放與其不同的是基本是一個開關(guān)功放或者是脈寬調(diào)制功放。為此 ,主要將對說明這類 D類功放作以說明。 在這種 D類功放中，器件要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉，大幅度減少了輸出器件的功耗，效率達(dá) 9095%都是可能的。音頻信號是用來調(diào)制 PWM大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 11 載波信號，其載波信號可以驅(qū)動輸出器件，用最后的低通濾波器去除高頻 PWM 載波頻率。 眾所周知 , A 類、 B 類和 AB 類功放均是線形功放 ,那么 D類功放與它們究竟有什么不同？我們首先應(yīng)作討論。 D 功放原理框圖，在一個線性功放中信號總是停留在模擬區(qū)，輸出晶體管 (器件 )擔(dān)當(dāng)線性調(diào)整器來調(diào)整輸出電壓。這樣在輸出器件上存在著電壓降，其結(jié)果降低了效率。 而 D 類功放采用了很多種不同的形式，一些是數(shù)字輸入，還有一些是模擬輸入，在這里我們將集中討論一下模擬輸入。 上面圖 1 顯示的是半橋 D 類功放的基本功能圖，其中給出了每級的波形。電路運(yùn)用從半橋輸出的反饋來補(bǔ)償母線電壓的變化。那末 D 類功放是如何工作的呢？ D 類功放的工作原理和PWM 的電源是相同的，我們假設(shè)輸入信號是一個標(biāo)準(zhǔn)的音頻信號，而這個音頻信號是正弦波，典型頻率從 20Hz 到 20kHz 范圍。這個信號和高頻三角或鋸齒波形相比可以產(chǎn)生 PWM 信號。這個 PWM 信號被用來驅(qū)動功率級，產(chǎn)生放大的數(shù)字信號，最后一個低通過濾波器被用在這個信號上來濾掉 PWM 載波頻率，重新得到正弦波音頻信號。 從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比 看線性和 D 類不同 值此將討論線性功放 (A類和 AB 類 )和 D類數(shù)字功放的不同之處。這兩者之間主要的不同是效率，這也是為什么要發(fā)明 D 類功放的原因。線性功放就其性能而言具有 固有的線性，但是即使是 AB 功放其效率也只有 50%，而 D類功放的效率很高，在實(shí)際的設(shè)計中達(dá) 90%。 增益 線性功放增益不受母線電壓影響而變化，然而 D 類功放的增益是和母線電壓成比例的。這就意味著 D 類功放的電源抗擾比率是 0dB,而線性的 PSRR(電源供應(yīng)抑制比率 )就很好。在 D 類功放中普遍用反饋來補(bǔ)償母線電壓變化。 能量流向 在線性功放中，能量是從電源到負(fù)載，雖然在全橋 D類功放中也是這樣，但半橋 D 類功放還是不同的，因?yàn)槟芰靠梢噪p向流動而導(dǎo)致 “母線電壓提升 ”現(xiàn)象產(chǎn)生，這樣會造成母線電容被從加載來的能量充電。這個主要發(fā) 生在低頻上，如低于 100Hz 是這樣。 D 類功放與 Buck 降壓轉(zhuǎn)換器類拓?fù)洳町? 在 D類功放和同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)湓碜魅鐖D 3所示。這兩個電路之間的主要不同有三：其一、對于同步降壓轉(zhuǎn)換器，其基準(zhǔn)電壓來自反饋電路的慢慢變化的穩(wěn)定電壓；而 D類功放的參考信號是一個不斷變化的音頻信號。也就是說，同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比是相對穩(wěn)定的，而 D 類以圍繞50%占空比不斷地改變。其二、在同步降壓轉(zhuǎn)換器中負(fù)載電流的方向總是朝著負(fù)載，即電感電流為單向。但是在 D 類功放中電流是朝著兩個方向的，即電感電流為雙向。最后的不同是 MOSFET 的優(yōu)化方式。同步降壓轉(zhuǎn)換器對于高低端的晶體管有著不同的優(yōu)化，較長的周期需要較低的 Rds(on)，而較短的周期需要低的 Qg(柵極電荷 )，即兩個開關(guān)作用不同。但 D 類功放對兩個 MOSFET 有著相同 的優(yōu)化方式。高低端器件有相同的 Ras(on),即兩個開關(guān)作用相同。 D 類功放中 MOSFET 的選擇 在功放中要達(dá)到高性能的關(guān)鍵因素是功率橋電路中的開關(guān)。在開關(guān)過程中產(chǎn)生的功率損耗、死區(qū)時間和電壓、電流瞬時毛刺等都應(yīng)該盡可能的最小化來改善功放的性能。因此，在這種功放中開關(guān)要做到低的電壓降，快速的開關(guān)時間和低雜散電感。 由于 MOSFET 開關(guān)速度很快，對于這種功放它是你最好的選擇。它是一個多數(shù)載流子器件，相對于 IGBT 和 BJT 它的開關(guān)時間比較快，因而在功放中有比較好的效率和線性度。而 MOSFET 的選擇是基于功放規(guī)格而定。因大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 12 而在選擇器件 以前要知道輸出功率和負(fù)載阻抗 (如 100W 8Ω)，功率電路拓?fù)?(如半橋梁或全橋 )，調(diào)制度 (如 89%—90%)。 MOSFET 中的功率損耗 功率開關(guān)中的損失在AB 線性功放和 D類功放之間是截然不同的。首先看一下在線性 AB 功放中的損耗 ,其損耗可以定義如下： K 是母線電壓與輸出電壓的比率。對于線性功放功率器件損耗，可以簡化成下面的公式：需要說明的是 AB 功 放功率損耗與輸出器件參數(shù)無關(guān)。現(xiàn)在一 起 看 一 下 D 類 功 放 的 損 失 ， 在 輸 出 器 件 中 的 全 部 損 耗 如 下 ：Ptotal=Psw+Pcond+PgdPsw 是開關(guān)損耗 Pcond 是導(dǎo)通損耗， Pgd 是柵極驅(qū)動損耗 從上式可看于 D 類功放的輸出損耗是根據(jù)器件的參數(shù)來定的 ,即基于 Qg(柵極電荷 )、Rds(on)(靜態(tài)漏源通態(tài)電阻 )、 Coss(MOSFET 的輸出電容 )和 tf(MOSFET 下降時間 )，所以減少 D 類功放損