【導(dǎo)讀】率可達到70％左右。D類放大器包括脈寬調(diào)制器和輸出級。MAX9703/MAX9704的D類放大器，并對D類功放的發(fā)展與技術(shù)展望進行了描述。路、驅(qū)動電路等進行了設(shè)計和仿真，且達到了預(yù)先設(shè)定的指標。當今音響數(shù)字化技術(shù)以大部分應(yīng)用在音響設(shè)備中。如作為音源的CD、DAT、而音響系統(tǒng)最后環(huán)節(jié)的功率放大器和揚聲器卻仍然徘徊在數(shù)字化。人們永無止境的追求音響重放高保真度，而模擬功率放大器經(jīng)過了幾。利用率的問題，因此，人們再一次把目光投向數(shù)字功放。十年，一直沒有其產(chǎn)品面世？究其原因，是在數(shù)字音頻放大器的設(shè)計與制作過程。中，最大的難題就是高速轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。因為其需要極高的精確度，但在如何解。如今，隨著脈沖調(diào)制放大電路的技術(shù)瓶頸被逐漸解決，數(shù)字放大

　　

【正文】 29 圖 533 不同負載時 LC 低通濾波器頻率響應(yīng) 30 6 MAX9703/MAX9704 單聲道 /立體聲 D 類音頻功率放大器 概述 MAX9703/MAX9704單聲道 /立體聲 D類音頻功率放大器，以 D類效率提供 AB類放大器的性能，節(jié)省電路板空間，而且無需使用大型的散熱裝置。這兩款器件采用了 D類結(jié)構(gòu)，提供 15W功率時效率高達 78%。受專利保護的調(diào)制與開關(guān)方案可以省去傳統(tǒng) D類放大器的輸出濾波器。 MAX9703/MAX9704提供兩種調(diào)制方案：固定頻率模式 (FFM)與擴頻模式 (SSM)，SSM模式降低了調(diào)制頻率產(chǎn)生的 EMI輻射。本器件采用全差分結(jié)構(gòu)、全橋輸出，并具有 全面的雜音抑制。 MAX9703/MAX9704具有 80dB的高 PSRR， %的低 THD+N，以及超過 95dB的 SNR。短路與熱過載保護可防止器件在故障條件下?lián)p壞。 MAX9703 提供 32 引腳TQFN(5mm x 5mm x )封裝， MAX9704采用 32引腳 TQFN(7mm x 7mm x )封裝。兩款器件都工作在 40176。 C至 +85176。 C擴展級溫度范圍內(nèi)。 MAX9703/MAX9704的應(yīng)用與： LCD TV 、 LCD監(jiān)視器、臺式 PC、 LCD放映機、免提式車載電話適配器、汽車電子 。 MAX9703/MAX9704 詳細說明 MAX9703/MAX9704無需濾波的 D類音頻功率放大器對開關(guān)模式放大技術(shù)作了一些重要改進。 MAX9703是單聲道放大器， MAX9704是立體聲放大器。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。獨特的無濾波調(diào)制方案以及擴頻切換模式構(gòu)成了一個緊湊、靈活、低噪聲、高效率的音頻功率放大器。差分輸入結(jié)構(gòu)降低了共模噪聲的拾取，可以不加輸入耦合電容。該器件也可以配置為單端輸入放大器。 比較器監(jiān)視器件輸入，并將互補輸入電壓與三角波進行比較。當三角 波輸入幅度超出相應(yīng)的比較器輸入電壓時，比較器的輸出翻轉(zhuǎn)。 工作效率 D類放大器的效率取決于輸出級晶體管的工作時間。在 D類放大器中，輸出晶體管用作電流調(diào)整開關(guān)，消耗的額外功率可以忽略不計。所有與 D類輸出級相關(guān)的功耗主要是由 MOSFET導(dǎo)通電阻與消耗靜態(tài)電流產(chǎn)生的 I2R損耗決定。 31 理論上線性放大器的最佳效率為 78%，不過該效率僅出現(xiàn)在輸出功率的峰值處。標準工作電平 (典型的音頻信號重建電平 )下，效率會下降到 30%以下，但在相同條件下， MAX9704仍可保持 78%以上的效率 (圖 61)。 圖 61 MAX9704 效率與 AB 類效率的對比 應(yīng)用信息 1. 無濾波工作 傳統(tǒng)的 D類放大器需要輸出濾波器，從放大器的 PWM輸出恢復(fù)音頻信號。濾波器 既 增加了成本，也增大了放大器的尺寸，并會降低效率。傳統(tǒng)的 PWM結(jié)構(gòu)采用較大的差分輸出擺幅 (2 x VDD峰 峰值 )，造成紋波電流過大。濾波元件的任何寄生電阻都會導(dǎo)致功率損耗、降低效率。 MAX9703/MAX9704不需要輸出濾波器，而是利用揚聲器線圈自身的電感和揚聲器與人耳的天然濾波作用，從方波輸出中恢復(fù)音頻成分。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。 由于 MAX9703/MAX9704的輸出頻率遠遠超出了大多數(shù)揚聲器的帶寬，由方波頻率引起的音頻線圈的偏移非常小。盡管這種偏移很小，若揚聲器未經(jīng)專門設(shè)計，能夠處理額外功率的話，還是可能被損壞。為獲得最佳效果，可以用一個等效串聯(lián)電感大于 30181。H的揚聲器。典型的 8?揚聲器等效串聯(lián)電感在 30181。H至 100181。H范圍內(nèi)。揚聲器電感大于 60181。H時可以獲得最佳效率。 2. 內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出 (VREG) MAX9703/MAX9704內(nèi)部提供一個 6V穩(wěn)壓輸出 (VREG)。 MAX9703/MAX9704的 REG輸出為 MAX9703/MAX9704的邏輯控制引腳 (G_, FS_)提供邏輯高電平電壓，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計，并降低了系統(tǒng)成本。關(guān)斷時， VREG不能提供邏輯高電平電壓。不 32 要用 VREG作為系統(tǒng)周圍元件的 6V電源。用 、 REG旁路至 GND。 3. 輸出失調(diào) 與 AB類放大器不同的是， D類放大器在加上負載后其輸出失調(diào)電壓不會明顯增大靜態(tài)電流。這是 D類放大器功率轉(zhuǎn)換的結(jié)果。例如，在 AB類器件中， 8mV的直流失調(diào)電壓通過 8?負載會額外消耗 1mA的電流。而對 D類器件來說， 8mV的直流失調(diào)電壓通過 8?負載時僅消耗 8181。W的額外功率。正是由于 D類放大器的高效率，器件吸取的額外靜態(tài)電流僅為： 8181。W/(VDD/100 x η )，只有幾個微安。 4. 增益選擇 MAX9703/MAX9704可由內(nèi)部設(shè)置邏輯編程增益，通過 G G2邏輯輸入設(shè)置MAX9703/MAX9704揚聲器放大器的增益 (表 61)。 表 61 增益設(shè)置 33 7 D 類功放的發(fā)展與技術(shù)展望 D 類功放的不足 （ 1） 晶體管在接通和關(guān)閉的過程中，接地點的電位會出現(xiàn)波動，從而增大噪音 （ 2） 功率輸出電路是用兩只功率晶體管接成的橋路，一只功率晶體管導(dǎo)通，另外一只關(guān)閉，這之間存在死區(qū)。 （ 3）輸出功率晶體管并不是純粹的開關(guān)，也不是匹配得很好，會帶來畸變。 （ 4）功率輸出電路和揚聲器之間用一只輸出低通濾波器把音頻以外的成分濾除，讓音頻信號進入揚聲器，但不可能徹底濾除脈寬調(diào)制的載波，這也是造成失 真的一個因素。 D 類功放的最新發(fā)展 —— T 類功率放大器 針對 D 類功率放大器的缺陷，美國 Tripath 公司發(fā)明了一種稱作“ Digital Power ProcessingTM（ DPPTM）”的數(shù)字功率處理技術(shù)，它是 T類功放的核心。 T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制 D類功放相同，功率晶體管也是工作在開關(guān)狀態(tài)，功率和 D類功放相當。它和 D 類功放不同的是，它不是使用脈寬調(diào)制的方法。它把通信技術(shù)中處理小信號的適應(yīng)算法及預(yù)測算法用到這里。輸入的音頻信號和進入揚聲器的電流經(jīng)過 DPPTM 數(shù)字處理用于控制功率晶體管 的導(dǎo)通關(guān)閉，因而不存在脈寬調(diào)制 D 類功放的那些缺陷。此外， T 類功放的動態(tài)范圍更寬，頻率響應(yīng)平坦，群延遲小。 DDPTM 的出現(xiàn)，把數(shù)字時代的功率放大器推到一個新的高度。 在 T類功率放大器中，功率晶體管的切換頻率不是固定的（在 D 類功率放大器中是固定的），無用分量的功率譜不 像 D類功率放大器那樣是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在很寬的頻帶上，例如從 至 的頻帶上，它的波形和擴譜技術(shù)的波形相似，因此，功率密度并不高，從而降低了對輸出低通濾波器的要求，同時它產(chǎn)生的 EMI 也不像 D 類功率放大器那么嚴 重。 34 結(jié)論 幾十年來 ， A類、 B類、 AB 類音頻功率放大器 在音頻領(lǐng)域中 一直占據(jù) 主導(dǎo) 地位，其發(fā)展經(jīng)歷了 以下 幾個過程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過程；電路組成從單管到推挽過程；電路形成從變壓器輸出到 OTL、 OCL、 BTL 形式過程。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點是效率太低。全球音視頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快開發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器，它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字化設(shè)備相連接的特點。 D類音頻功率放大器是 PWM 型功率放大器， 符合上述要 求。近幾年來，國際上加緊了對 D 類音頻功率放大器的研究與開發(fā)，并取得了一定的進展，幾家著名的研究機構(gòu)及公司已經(jīng)試驗性地向市場提供了 D類音頻功率放大器評估模塊及技術(shù)。這一技術(shù)一經(jīng)問世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點，引起了科研、教學(xué)、電子工業(yè)、商業(yè)界的特別關(guān)注，現(xiàn)在這一前沿的技術(shù)正迅猛發(fā)展，前景一片光明。 本設(shè)計詳細討論 D 類功放的工作原理、優(yōu)越性以及其局限性，對于本系統(tǒng)設(shè)計，有些指標還有待于進一步提高。例如，在功放效率、最大不失真輸出功率等方面還有較大的潛力可挖，這些都有待于我們通過對電路的改進和對元器 件的最佳選擇進一步完善。 在這次畢業(yè)設(shè)計中，我們走了許多彎路，但這同時使我們從中積累了許多經(jīng)驗教訓(xùn)。正是這些經(jīng)驗教訓(xùn)使我們對 D類放大器的工作原理有了更深刻的理解，對功放的設(shè)計有了更深刻的認識，對集成電路的設(shè)計有了更深刻的理解和認識。 35 致謝 此次畢業(yè)設(shè)計是我大學(xué)生活重要的一步。從最初的選題，開題到寫論文直到完成論文。其間，查找資料，老師指導(dǎo)，與同學(xué)交流，反復(fù)修改論文，每個過程都是對自己能力的一次 檢驗和充實。 但 由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想 要完成這個設(shè)計是難以想象的。 在這里首先 誠摯的 感謝我們的指導(dǎo)老師。老師平日里工作繁多，但在我們做畢業(yè)設(shè)計的每個階段 都傾注著老師的心血 ，從外出實習(xí)到查閱資料，設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設(shè)計，裝配草圖等整個過程中都給予了我們悉心的指導(dǎo)。我們的設(shè)計較為復(fù)雜煩瑣，但是老師仍然細心地糾正圖紙中的錯誤。他 以嚴謹?shù)闹螌W(xué)之道，寬厚仁慈的胸懷，積極樂觀的生活 態(tài)度；兢兢業(yè)業(yè)，孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神為我樹立了學(xué)習(xí)典范，他的教誨與鞭策將激勵我在學(xué)習(xí)和生活的道路上勵精圖治，開拓創(chuàng)新。他淵博的知識，開闊 視野和敏銳 的 思維給了我深深的啟迪 。 其次要感謝一起做畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)，他們在本次設(shè)計中勤奮工作，克服了許多困難來完成此次畢業(yè)設(shè)計，并承擔了大部分的工作量。如果沒有他們的努力工作，此次設(shè)計的完成將變得非常困難。 然后還要感謝大學(xué)幾年來所有的老師，為我們打下電子專業(yè)知識的基礎(chǔ)；同時還要感謝所有的同學(xué)們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設(shè)計才會順利完成。 36 參考文獻 1. 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會編 .第五屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編 .北京：北京理工大學(xué)出版社， 2020年 01 期。 平《 關(guān)于音頻功率放大器的應(yīng)用》，《安陽大學(xué)學(xué)報》， 2020 年 02 期。 ：《音頻功率放大器》，《電子世界》， 2020 年 08 期。