【正文】 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(huì)沿電源線長(zhǎng)距離傳導(dǎo)。通過將環(huán)路面積減至最小可降低環(huán)路中瞬態(tài)的 EMI 影響，意味著儲(chǔ)能電容應(yīng)盡可能靠近晶體管對(duì)它充電。另一個(gè)要注意的地方是當(dāng)輸出級(jí)晶體管柵極電容開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。例如，整個(gè) LC濾波器 (包括揚(yáng)聲器接線 )的布局應(yīng)盡可能地緊密，并且保持靠近放大器。但是，可以使用一些板級(jí)的設(shè)計(jì)方法減少 D類放大器發(fā)射的 EMI，而不管其基線譜如何。 兩種 EMI 需要考慮：輻射到空間的信號(hào)和通過揚(yáng)聲器及電源線傳導(dǎo)的信號(hào)。 EMI 處理 D類放大器輸出的高頻分量值得認(rèn)真考慮。這樣至少會(huì)處理一部分失真源，但不是全部。這樣可以改善 PSR，但不會(huì)解決任何失真問題。 為了將 IC 成本減至最低，一些制造商喜歡不使用或使用最少的模擬電路部分。連續(xù)時(shí)間模擬反饋對(duì)于捕獲有關(guān)脈沖時(shí)序誤差的重要信息也是必需的，因此控制環(huán)路必須包括模擬電路以處理反饋信號(hào)。在精心設(shè)計(jì)的閉環(huán) D 類放大器中，可以達(dá)到 PSR 60 dB 和 THD %的高保真音質(zhì)。 LC 濾波器輸入的反饋會(huì)大大提高 PSR 并且衰減所有非 LC濾波器失真源。甚至更壞的情況， THD 趨向于有害音質(zhì)的高階失真。濾波器抑制高頻噪聲，但所有音頻頻率都會(huì)通過，包括音頻噪聲。 電源抑制 (PSR): 在下圖所示的電路中，電源噪聲幾乎直接耦合到輸出揚(yáng)聲器，具有很小的抑制作用。用于避免沖擊最短的死區(qū)時(shí)間對(duì)于將失真減至最小經(jīng)常是最有利的。 在 D 類調(diào)制器輸出脈寬中通常對(duì)包含音頻信號(hào)幅度的信息進(jìn)行編碼。這對(duì)于各種放大器是可以達(dá)到的，但在放大器設(shè)計(jì)期間必須跟蹤具體的噪聲源以保證達(dá)到滿意的總體 SNR。但不幸的是，它們易于引入到 D 類放大器中，除非當(dāng)放大器靜噪或非靜噪時(shí)特別注意調(diào)制器狀態(tài)、輸出級(jí)時(shí)序和 LC濾波器狀態(tài)。 音 質(zhì)處理 在 D 類放大器中，要獲得好的總體音質(zhì)必須解決幾個(gè)問題。晶體管的先開后合控制通過在一個(gè)晶體管導(dǎo)通之前強(qiáng)制兩個(gè)晶體管都斷開以防止沖擊電流情況發(fā)生。因此，避免 MH 和 ML 同時(shí)導(dǎo)通的情況很重要，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生一個(gè)從 VDD到 VSS 的低電阻路徑通過晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。這個(gè)問題通常通過欠壓封鎖電路來處理，只有當(dāng)電源電 壓大于欠壓封鎖閾值時(shí)才允許輸出級(jí)工作。 欠壓 : 大多數(shù)開關(guān)輸出級(jí)電路只有當(dāng)正電源電壓足夠高時(shí)才能正常工作。在這個(gè)方案中，如果限流保護(hù)無效，最后的手段是強(qiáng)制關(guān)斷。在簡(jiǎn)單保護(hù)方案中，如果輸出電流超過安全閾值，輸出級(jí)關(guān)斷。如果不經(jīng)核查，這個(gè)電流會(huì)破壞晶體管或外圍 電路。通過測(cè)量溫度，控制電路可逐漸減小音量水平，減少功耗并且很好地將溫度保持在限定值范圍內(nèi)，而不是在熱關(guān)斷期間強(qiáng)制不發(fā)出聲音。 在簡(jiǎn)單的保護(hù)方案中，當(dāng)通過一個(gè)片內(nèi)傳感器測(cè)量的溫度超過熱關(guān)斷安全閾值時(shí)，輸出級(jí)關(guān)斷，并且一直保持到冷卻下來。 輸出級(jí)保護(hù) 輸出級(jí)必須加以保護(hù)以免受許多潛在危險(xiǎn)條件的危害： 過熱 : 盡管 D 類放大器輸出級(jí)功耗低于線性放大器，但如果放大器長(zhǎng)時(shí)間提供非常高的功率，仍會(huì)達(dá)到危害輸出晶體管的水平。在高輸出功率情況下，功耗和效率主要由傳導(dǎo)損耗決定，而在低輸出功率情況下，功耗主要由開關(guān)損耗決定。如果電容或頻率太高，這個(gè)“開關(guān)損耗”就會(huì)過大，所以存在實(shí)際的上限。但這要求大晶體管具有很大的柵極電容 (CG)。 輸出晶體管尺寸選擇 選擇輸出晶體管尺寸是為了在寬范圍信號(hào)調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗。如要求更高則需用四階濾波器，這時(shí)成本和匹配等問題都必須加以考慮。嚴(yán)格地講，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)去，但作為一個(gè)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。 還有一個(gè)與音質(zhì)有很 大關(guān)系的因素就是位于驅(qū)動(dòng)輸出與負(fù)載之間的無源濾波器。 同時(shí)，三角波形的形狀、頻率的準(zhǔn)確性和時(shí)鐘信號(hào)的抖晃都會(huì)影響到以后復(fù)原的信號(hào)與原信號(hào)不同而產(chǎn)生失真。但此時(shí)晶體管的開關(guān)損耗會(huì)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(huì)使整機(jī)效率下降。頻率過低達(dá)到同樣要求的 THD 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)無源 LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 調(diào)制電路也是 D類功放的一個(gè)特殊環(huán)節(jié)。若干年前，這種高頻大功率管的價(jià)格昂貴，在一定程度上限制了 D 類功放的發(fā)展。另外，整機(jī)的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。此時(shí)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。當(dāng)占空比大于 1： 1的脈沖到來時(shí)， C 的充電時(shí)間大子放電時(shí)間，輸出電平上升；窄脈沖到來時(shí)，放電時(shí)間長(zhǎng)，輸出電平下降，正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相 — 致，所以原音頻傳號(hào)被恢復(fù)出來，見圖52。方法很簡(jiǎn)單，只需要用一個(gè)低通濾波器。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。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí)，正半周期間，比較器輸出高電平的時(shí)間比低電乎長(zhǎng)，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(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí) 間卻大為減少，方被占空比小于 1： 1。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時(shí)，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。 圖 51是 D類功放的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個(gè)部分： 20 圖 51 D 類功放的基本結(jié)構(gòu) 第一部分為調(diào)制器，最簡(jiǎn)單的只需用一 只運(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。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(hào)。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。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 )。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)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(huì)有很小的飽和壓降而消耗部分電能。 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。 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(jià)格上均已不成問題。 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(chǎng)合，仍感效率偏低不能令人滿意。認(rèn)為 A類功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。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。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。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。 （ 5）能量轉(zhuǎn)換效率極高，體積小，可靠性高。 （ 4）無過零失真。 （ 3）瞬態(tài)響應(yīng)好，即“動(dòng)態(tài)特性”好。 （ 2）高、中、低頻無相對(duì)相移，聲音清晰透明，聲像定位準(zhǔn)確。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(shì)，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(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。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。 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(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路采用理想場(chǎng)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。運(yùn)行仿真試驗(yàn)的目的就是得出分析數(shù)據(jù)、電路波形特性及各種相關(guān)參數(shù)。建模過程中，各級(jí)電路的元器件參數(shù)選擇必須 準(zhǔn)確，應(yīng)防止節(jié)點(diǎn)的虛脫和注意地端的連接。 本課題研究時(shí)采用簡(jiǎn)單易用的 EWB 軟件，其操作簡(jiǎn)單、直觀，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求低，特別適合初學(xué)者和在校的學(xué)生使用。它不僅為電子技術(shù)設(shè)計(jì)人員提供了“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)也為教學(xué)提供了一個(gè)極為便捷的、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。從 70年代的（ CAD）階段和 80 年代的（ CAE）階段，到 90年代的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ EDA）階段。主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作，既 IC 設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)和 PCB 設(shè)計(jì)。因此用 LPF低通濾波器就可以濾去高頻諧波而得到正 弦基波成分，因此，可使數(shù)模轉(zhuǎn)換電路非常簡(jiǎn)化。 D類功放使用的開關(guān)管采用功率型 MOSFET，即大功率場(chǎng)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。這里沒有應(yīng)用一般概念的 A/D 變換電路，而是用一個(gè)幅度與放大的正弦信 號(hào)近似的三角波，共同作為變換器輸入，相當(dāng)于反相比較器。因?yàn)閾P(yáng)聲器是感性負(fù)載，對(duì)于高電感的揚(yáng)聲器如中頻揚(yáng)聲器， D類功放可以不用低通濾波器，直接與揚(yáng)聲器相聯(lián)。 圖 41 D 類放大器的原理方塊圖 輸出 A / D LPF 輸入 D/ A 14 圖 42 將正弦波變?yōu)槊}沖波的脈寬調(diào)制電路 從圖 41 的結(jié)構(gòu)可知，兩個(gè)放大器反相連接，實(shí)際上構(gòu)成推挽狀態(tài)，起到 開關(guān)作用去控制與電源串聯(lián)的負(fù)載回路 (RL)，低通濾波器 LPF可以濾去脈沖波的高頻部分，得到基波成分，所以實(shí)際上成為數(shù) /模 (D/A)轉(zhuǎn)換電路，重新將脈沖波還原成為正弦波。 D 類放大器的電路工作方式為開關(guān)狀態(tài)，作為放大音頻正弦信號(hào)，還需模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將音頻模擬信號(hào)先變?yōu)槊}沖方波，從而進(jìn)行放大。晶體管導(dǎo)通工作時(shí)間越長(zhǎng)，信號(hào)幅度便越大，于是晶體輸出管為揚(yáng)聲器提供的電流也時(shí)而因管子導(dǎo)通而有電流流過，時(shí)而因管子截止而沒有電流流過，音頻信息便包含在這些接通、斷開的周期過程中。將這些脈寬調(diào)制的數(shù)據(jù)流去推功率放大器的常規(guī)晶體輸出管。 13 4 D 類功放的原理及仿真 D 類功放的工作原理 D類功率放大器的原理，首先將脈沖編碼調(diào)制（ PCM， Pulse Code Modulation）音頻數(shù)據(jù)流通過專門的等比特?cái)?shù)字處理器（ EquibitDSP）變換為脈寬調(diào) 制（ PWM，Pulse Width Modulation）的數(shù)據(jù)流。根據(jù)市場(chǎng)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。而 D 類放大器的高效率意味著驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備時(shí)功耗更低 ，使 LCD平板顯示器工作時(shí)發(fā)熱更少，圖像顯示效果更好。對(duì)于手機(jī)來說，揚(yáng)聲器和 PTT (PushtoTalk，一鍵通 )模式需要 D 類放大器的高效率，以延長(zhǎng)電池壽命。 首先，是市場(chǎng)需要。 D 類放大器對(duì)散熱器的要求大為降低，甚至可以省去散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應(yīng)用。 D類放大器的功耗主要來自輸出晶體管導(dǎo)通阻抗、開關(guān)損耗和靜態(tài)電流開銷。對(duì)于線性放大器（如 AB 類）來說，偏置原件和輸出晶體管的線性工作方式會(huì)損耗大量功率。并且由于工作比音頻高 10余倍的脈沖狀態(tài)，電源整流紋波對(duì)電路工作影響很小。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。波形陡直的極端狀態(tài)時(shí)輸入信號(hào)為矩形波，這種波形，無論偏置如何變化，由于前后沿是垂直升降的，導(dǎo)通狀態(tài)都不會(huì)變化，這樣就誕生了工作與脈沖放大狀態(tài)的 D 類放大器。但是，信號(hào)導(dǎo)通角逾小Vce Ic Ib=0 Q IB VBE IB VBE 12 波形失真則愈大，輸出信號(hào)中諧波成分增加，這兩個(gè)要求矛盾。無信號(hào)時(shí)電流愈大則直流損耗大，效率低。 圖 33 推挽電路形式 iCQUCCuCEO( b )11 圖 34 AB 類放大和 B類放大 3. C 類放大器 情況如圖 35，靜態(tài)置偏點(diǎn)在截止點(diǎn)之下，當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)只有超過偏置點(diǎn)部分管子才導(dǎo)通 (導(dǎo)通角小于 90 度 )，效率更高，但由于失真過大，難用于音頻功放，多用于高頻功放作為倍頻用，集電極電流呈脈沖狀，諧波豐富，再用高 Q電路調(diào)諧于基波頻率，濾處諧波成分，使輸出完整波形的正弦波。乙類狀態(tài)的最大優(yōu)點(diǎn)是無信號(hào)時(shí)原則上沒有直流電流，因而沒有直流功率損耗，效率超過 50%， 但由于曲線起始端的非線性，常將推挽放大器的兩管均少量正向置偏，其導(dǎo)通角大于半周，故效率不能做得很高達(dá) 60%70%.工作介于AB之間，故又稱 AB 類功放。集電極輸出半個(gè)正弦波。這種放大狀態(tài)失真度較小，只受器件特性曲線的影響，若器件線性好則失真最小，但是，當(dāng)無交流輸入時(shí)，有約一半幅度 (Q 點(diǎn) )的直流電流，其損耗為 ICO VCC ，故效率是最低的，低于 50%，所以這種 A類功率放大僅用于很小功率的收音機(jī)，助聽器中，也有用于高級(jí)的 HiFi功放中。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。在音頻功放領(lǐng)域中，前四類均可直接采用模擬音頻信號(hào)直接輸入，放大后將此信號(hào)用以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。 9 3 放大器的簡(jiǎn)介 功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類。 使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載凡上的電壓稱為噪聲電壓 U0 。 8 測(cè)量條件如下 :調(diào)節(jié)音量控制器使輸出電壓約為最大輸出電壓的 5