【正文】 與裸露焊盤相接的敷銅塊應(yīng)該用多個(gè)過孔連到PCB背面的其他敷銅塊上。敷銅走線應(yīng)盡可能寬，因?yàn)檫@將影響到系統(tǒng)的整體散熱性能。盡可能在敷銅塊與臨近的具有等電勢(shì)的D類放大器引腳以及其他元件之間多布一些覆銅。對(duì)底部有裸露焊盤的封裝來說，PCB及其敷銅層是D類放大器主要的散熱渠道。圖56正弦波的RMS值高于音頻信號(hào)的RMS值，意味著用正弦波測(cè)試時(shí)，D類放大器的發(fā)熱更大。因此，測(cè)量系統(tǒng)的熱性能時(shí)，最好使用實(shí)際音頻信號(hào)而非正弦波作為信號(hào)源。同樣，音頻信號(hào)可能存在突變，但正如測(cè)量結(jié)果所示，其平均值仍遠(yuǎn)低于正弦波。圖56所示為時(shí)域內(nèi)音頻信號(hào)和正弦波的波形圖，給出了采用示波器測(cè)量?jī)烧逺MS值的結(jié)果。 常見的音源，包含音樂和語音，其RMS值往往比峰值輸出功率低得多。盡管使用正弦波進(jìn)行測(cè)量比較方便，但這樣的測(cè)量結(jié)果卻是放大器在最壞情況下的熱負(fù)載。盡管如此，使用D類仍然需要放大器時(shí)慎重考慮其散熱。即使是忽略成本方面的考慮，LC濾波器占用的PCB面積也是小型應(yīng)用中的一個(gè)問題。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。LC濾波器的元器件，尤其是電感器，占用PCB面積并且增加成本。對(duì)于處理模擬輸入的D類放大器也需如此轉(zhuǎn)換，但對(duì)于數(shù)字輸入的D類放大器有效地集成了DAC功能。D類集成電路放大器可采用比模擬線性放大器尺寸小和成本低的封裝。真正需要考慮的折衷是系統(tǒng)的其它元器件。D類放大器的有源器件是開關(guān)輸出級(jí)和調(diào)制器。如果電阻太高，應(yīng)當(dāng)使用較粗的繞線或選用要求繞線匝數(shù)較少的其它金屬材質(zhì)的磁芯，用以提供需要的電感。如果繞線匝數(shù)很多，與總繞線長(zhǎng)度相關(guān)的電阻很重要。原因是如果電流超過額定電流閾值并且電流密度太高，許多電感器磁芯會(huì)發(fā)生磁性飽和，導(dǎo)致電感急劇減小，這是我們所不期望的。電感器設(shè)計(jì)考慮因素：設(shè)計(jì)或選擇電感器的重要因素包括磁芯的額定電流和形狀，以及繞線電阻。對(duì)于常見的揚(yáng)聲器阻抗以及標(biāo)準(zhǔn)的L值和C值，表51給出了標(biāo)稱元器件值及其相應(yīng)的近似Butterworth響應(yīng)。圖55 差分開關(guān)輸出級(jí)和LC低通濾波器常見的濾波器設(shè)計(jì)選擇目的是為了在所需要的最高音頻頻率條件下將濾波器響應(yīng)下降減至最小以獲得最低帶寬。盡管揚(yáng)聲器阻抗有時(shí)近似于簡(jiǎn)單的電阻，但實(shí)際阻抗比較復(fù)雜并且可能包括顯著的無功分量。下圖示出一個(gè)差分式二階LC濾波器。在成本和EMI性能之間的一種好的折衷方法是通過屏蔽減小來自低成本鼓形磁芯的輻射。這很有幫助，因?yàn)镾chottky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。通過保持非重疊時(shí)間非常短(還建議將音頻失真減至最小)使EMI減至最小。當(dāng)非重疊時(shí)間結(jié)束時(shí)，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪?。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(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：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L(zhǎng)C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)。準(zhǔn)確，應(yīng)防止節(jié)點(diǎn)的虛脫和注意地端的連接。圖4－4給出了電路建模EDA仿真分析時(shí)一般的步驟根據(jù)流程圖的步驟，重點(diǎn)應(yīng)該做好課題建模、儀器的連接、運(yùn)行仿真試驗(yàn)、分析結(jié)果等工作。電工電子類專業(yè)課程中的電工基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)都可以通過EDA仿真軟件，進(jìn)行電路圖的繪制、設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)和分析。EDA技術(shù)代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向。EDA技術(shù)經(jīng)過了三個(gè)階段的發(fā)展。f輸入信 號(hào)的頻率諧波頻譜圖43 PWM波的頻譜 D類功放的EDA仿真 EDA仿真概述EDA（Electronic Design Automation ）是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成功的電子CAD通用軟件包。圖43是PWM波的頻譜，當(dāng)放大單一頻率正弦時(shí)，其頻譜中除低頻段存在與輸入信號(hào)同頻率的基波成分外，還存在各次諧波的頻譜。當(dāng)三角波幅度大于正弦波幅部分，變換電路輸出1；而三角波幅小于正弦波幅處，變換電路均輸出0；這樣即將輸入的正弦信號(hào)變?yōu)閷挾入S正弦信號(hào)波幅變化的PWM波。圖42表示如何將正弦波變?yōu)槊}沖波，讓脈沖波的寬度受正弦波幅度調(diào)制，稱為PWM信號(hào)，即“脈寬調(diào)制”信號(hào)。從電路看，當(dāng)兩支形狀短路阻抗為0，開路阻抗為無窮大時(shí)，電路效率100%。其原理方塊圖如圖41,波形圖如圖42。脈沖串在由晶體管放大后，便由LC低通濾波器進(jìn)行平滑處理，從而恢復(fù)為原有的音樂波形。由于受到脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)流的作用，晶體輸出管將迅速地時(shí)而飽和導(dǎo)通工作，時(shí)而截止不工作。采用脈寬調(diào)制后，音頻信號(hào)便成為一系列的用“0”和“1”表示的寬度可變的脈沖串，脈沖的寬度越寬，信號(hào)的幅度就越大。此外，一些新型的D類放大器輸出調(diào)制方案還可以降低實(shí)際應(yīng)用的EMI。影響D類放大器應(yīng)用的第二個(gè)因素便是自身技術(shù)的發(fā)展。LCD平板顯示器的發(fā)展對(duì)電子器件提出了“低溫運(yùn)行(cool running)”的需求，這是由于工作溫度的升高將影響顯示顏色對(duì)比度。D類放大器的某些優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)了手機(jī)和LCD平板顯示器這兩個(gè)終端設(shè)備市場(chǎng)的迅速發(fā)展。近年來，受以下兩個(gè)