【正文】 作時(shí)間長(zhǎng)，信號(hào)幅度便越大，于是輸出晶體管為揚(yáng)聲器提供的電流也時(shí)而因管子導(dǎo)通而有電流流過(guò)，時(shí)而因管子截止而沒(méi)有電流流過(guò)，音頻信息便包含在這些接通、斷開(kāi)的周期過(guò)程中。將這些脈寬調(diào)制的數(shù)據(jù)流去推動(dòng)功率放大器的常規(guī)輸出晶體管。此高頻界限隨著輸出負(fù)載的不同而不同，有些為30kHz，有些則達(dá)到40kHz左右。 3．PWM信號(hào)即高頻方波最后通過(guò)低通濾波器把超高頻成分濾除，形成調(diào)制的音頻信號(hào)，最后用來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。 2．通過(guò)高速轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)精確控制系統(tǒng)，將模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM脈沖寬度 調(diào)制信號(hào)，即一種高電壓高頻率的方波。 圖2．12 D類(lèi)放大器波形圖 隨著脈沖調(diào)制放大電路技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字放大器的優(yōu)點(diǎn)日漸突出，因而越來(lái)越受到人們的關(guān)注。圖2．10 D類(lèi)功率放大器框圖圖211一般D類(lèi)放大器結(jié)構(gòu)圖 圖2．1l是一般D類(lèi)功放的結(jié)構(gòu)圖，它主要由PWM波產(chǎn)生電路、功率放大電路、濾波電路和負(fù)反饋電路四部分組成。由于晶體管擅長(zhǎng)處理這種開(kāi)關(guān)脈沖，遠(yuǎn)比其處理復(fù)雜多變的音頻信號(hào)效率更佳，所以脈沖寬度調(diào)制型放大器多采用晶體管電路結(jié)構(gòu)。脈沖放大器的偏置電路簡(jiǎn)單，輸出帶載能力強(qiáng)。在輸出端經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量之后，便又將矩形脈沖變成音頻波形， 再將其耦合至負(fù)載揚(yáng)聲器。然后用晶體管開(kāi)關(guān)放大器來(lái)放大經(jīng)調(diào)制的矩形脈沖。2．3．3 傳統(tǒng)D類(lèi)音頻功率放大器工作原理傳統(tǒng)的D類(lèi)放大器采用PWM的工作方式，為脈寬調(diào)制型放大器。LC濾波器的非線(xiàn)性可以通過(guò)將揚(yáng)聲器也納入反饋環(huán)路的方法來(lái)衰減。如果音響設(shè)計(jì)者使用帶很高環(huán)路增益的反饋的話(huà)(正如許多線(xiàn)性放大器設(shè)計(jì))，會(huì)大大提高電路性能。在D類(lèi)功放中普遍用反饋來(lái)補(bǔ)償供電電壓變化。線(xiàn)性功放增益不受供電電壓影響而變化，然而D類(lèi)功放的增益是和供電電壓 成比例的。3．信噪比為了避免放大器背景噪聲能造成人耳可以聽(tīng)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(jì)的放大器的SNR應(yīng)分別為100dB和110dB以上。因此，對(duì)可靠的設(shè)計(jì)和降低EMI來(lái)說(shuō)，PCB的布局都是至關(guān)重要的。在下個(gè)時(shí)段，當(dāng)MOSFET的另一邊開(kāi)始打 開(kāi)時(shí)，除非存儲(chǔ)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)。體二極管自頂部流向底部的反向恢復(fù)充電。與大多數(shù)開(kāi)關(guān)應(yīng)用一樣，在D 類(lèi)放大器設(shè)計(jì)中，工程師必須注意EMI性能。由于D類(lèi)的工作模式不同于AB類(lèi)，會(huì)產(chǎn)生某些高頻諧波。如果反向恢復(fù)方案仍不可接受，可使用肖特基(Schottky)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。在二極管完全斷開(kāi)之前，會(huì)出現(xiàn)大的反向恢復(fù)電流尖峰，從而產(chǎn)生麻煩的EMI源。如果柵極驅(qū)動(dòng)非重疊時(shí)間非常長(zhǎng)，揚(yáng)聲器或LC濾波器的感應(yīng)電流會(huì)正向偏置 輸出級(jí)晶體管端的寄生二極管。 有時(shí)，插入與放大器電源串聯(lián)的RF扼流線(xiàn)圈很有幫助。通常這些電荷來(lái)自?xún)?chǔ)能電容，從而形成一個(gè)包含兩個(gè)電容的電流環(huán)路。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?yàn)榕cEM相關(guān)的強(qiáng)度與環(huán)路面積及環(huán)路與其它電路的接近程度有關(guān)。D類(lèi)放大器調(diào)制方案決定傳導(dǎo)EMI和輻射EMl分量的基線(xiàn)譜。如果不正確理解和處理，這些分量會(huì)產(chǎn)生大量EMI并且干擾其它設(shè)備的工作。濾波器可以抑制高頻噪聲，但可以通過(guò)所有音頻分量，包括噪聲。在電源波動(dòng)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(yáng)聲器上。為了最大限度減 小失真，避免直通而引入的死區(qū)時(shí)間應(yīng)該盡可能縮短。關(guān)于音頻信號(hào)強(qiáng)度的信息通常是通過(guò)D類(lèi)調(diào)制器輸出脈沖的寬度來(lái)編碼的。幾十納秒少量的死區(qū)時(shí)間很容易產(chǎn)生1％ 以上的THD。 一般來(lái)講，在柵極信號(hào)中的開(kāi)關(guān)時(shí)間誤差是導(dǎo)致非線(xiàn)性的主要原因。(5) 由于限定的輸出電阻和通過(guò)直流供電的能量的反作用而引起電源電壓波動(dòng)。(3) 開(kāi)關(guān)器件上的不必要特征，比如限定電阻，限定開(kāi)關(guān)速度或晶體二極管特性。原因是： (1) 從調(diào)制器到開(kāi)關(guān)級(jí)由于分辨率限制和時(shí)間抖動(dòng)而導(dǎo)致的PWM信號(hào)中的非線(xiàn)性。然而，實(shí)際的D類(lèi)功放并不完美并且會(huì)有失真和噪音。(4)削波失真：是功放管飽和時(shí)，信號(hào)被削波，輸出信號(hào)幅度不能進(jìn)一步增大 而引起的一種非線(xiàn)性失真。 (2)互調(diào)失真：當(dāng)功放同時(shí)輸入兩種或兩種以上頻率的信號(hào)時(shí)，由于放大器的非線(xiàn)性，在輸出端會(huì)產(chǎn)生各頻率以及諧波頻率之間的和頻及差頻信號(hào)，這些新增 加的頻率成分構(gòu)成非線(xiàn)性失真。 (1)諧波失真：諧波失真是由功率放大器中的非線(xiàn)性元件引起的，這種非線(xiàn)性會(huì)使聲頻信號(hào)產(chǎn)生許多新的諧波成分。 失真是指功放的聲頻信號(hào)波形發(fā)生了不應(yīng)有的變化。由此可見(jiàn)，在輸出功率一定的條件下，提高率就意味著電源供給功率和放大器損耗功率下降。 1．功率效率在輸入信號(hào)的作用下，直流電源提供的直流功率B中，一部分被轉(zhuǎn)換為輸出 信號(hào)功率見(jiàn)，其余部分將消耗在功率放大器中，形成功率放大器的損耗Pc。90％，對(duì)于語(yǔ)言和音樂(lè)信號(hào)，其實(shí)用效率為65％80％，約等于AB類(lèi)的2倍。其中開(kāi)關(guān)損耗就是輸出級(jí)瞬間工作在線(xiàn)性區(qū)的電壓電流乘積，而發(fā)熱損耗是電流流過(guò) 導(dǎo)通管時(shí)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。但總體而言，D類(lèi)放大器的功率 損耗是最小的，正是由于該類(lèi)器件的開(kāi)關(guān)特性，使放大器實(shí)現(xiàn)了高得多的效率。第二，晶體管柵極電容和寄生電阻形 成RC時(shí)間常量，也增加了上升時(shí)間和下降時(shí)間。第一，輸出晶體管的開(kāi)關(guān)并非即時(shí)完成。出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)時(shí)間內(nèi)的損耗是由于MOSFET的上升時(shí)間和下降時(shí) 間大于零。因而可以減小晶體管的功率損耗，增 加放大器的效率。所以D類(lèi)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。由此可見(jiàn)，D類(lèi)放大器具有很高的效率，因?yàn)楹虯B類(lèi)放大器相比，只有極少量的功率被輸出MOSFET消耗掉。由于兩個(gè)MOSFET均完全飽和， 為“開(kāi)”態(tài)，因此在其上只有很小的壓降。D類(lèi)放大器H橋中的理想輸出晶體管，可擁有等于零I拘RDS(ON)(“開(kāi)’’ 態(tài)漏．源電阻，即導(dǎo)通電阻)及無(wú)窮大的RDsfoFn(“關(guān)態(tài)漏．源電阻，即關(guān)斷電阻)。和AB類(lèi)音頻放大器相反，D類(lèi)音頻放大器在一個(gè) 給定時(shí)間內(nèi)向負(fù)載提供一個(gè)固定量的功率。在使 用電池和干電池供電的應(yīng)用中，可保持長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)供電。3．低消耗電力。而D類(lèi)放大器發(fā)熱少，能作小型封裝。2．低發(fā)熱。常見(jiàn)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。表21各類(lèi)放大器性能比較由表2．1可以得知：D類(lèi)放大器具有最高的工作效率，但是保真度比較低，這 可以通過(guò)改進(jìn)D類(lèi)放大器控制結(jié)構(gòu)或引入信號(hào)處理理論來(lái)提高保真度，從而實(shí)現(xiàn) 高效率和低THD，這些將在下面的章節(jié)進(jìn)行討論。C類(lèi)放大器以線(xiàn)性度為代價(jià)可以達(dá)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。對(duì)于大輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)，器件工作在 開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，其高效率以線(xiàn)性度為代價(jià)，如D類(lèi)、E類(lèi)和F類(lèi)功率放大器。2．2．8 功放小結(jié)偏置電壓、輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)方式和輸出網(wǎng)絡(luò)共同決定了功率放大器的類(lèi)型。并且E類(lèi) 放大器具有很差的歸一化功率傳遞能力，因此盡管這一類(lèi)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(fù)載。E類(lèi)放大器采用高階電抗網(wǎng)絡(luò)提供足夠的自由度來(lái)改變 開(kāi)關(guān)電壓波形，使它在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的值和斜率均為零，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗。 為了防止總的損耗，開(kāi)關(guān)相對(duì)于工作頻率必須非?？?。2．2．6 E類(lèi)功放采用晶體管作為開(kāi)關(guān)有可能提供大為改善的效率，但由于現(xiàn)實(shí)開(kāi)關(guān)的不完全 理想使得在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)這一可能性并不總是那么容易。在這一任務(wù)面前， D類(lèi)放大器表現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢(shì)。D 類(lèi)功放最大的優(yōu)點(diǎn)是效率最高，供電器可以縮小，幾乎不產(chǎn)生熱量，因此無(wú)需大 型散熱器，機(jī)身體積與重量顯著減少，理論上失真低、線(xiàn)性佳。D類(lèi)功放的放大晶體管一經(jīng)開(kāi)啟即直接將其負(fù)載與供電器連接，電流流通但 晶體管無(wú)電壓，因此無(wú)功率消耗。第二種數(shù)字功率放大器為真正意義上的 數(shù)字型功率放大器。此類(lèi)數(shù)字式功 率放大器在由數(shù)字音源輸入數(shù)字信號(hào)后，即由其數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換器將信號(hào)變換為模 擬信號(hào)，再由模擬功率放大器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，這類(lèi)放大器的控制采用數(shù)字 電路，可進(jìn)行遙控，但受數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換器精度所限，音質(zhì)還不夠完美。數(shù)字功率放大器分為兩種類(lèi)型。其工作偏置點(diǎn)如圖2．8所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)足夠強(qiáng)時(shí)，晶體管會(huì)進(jìn)入飽和 導(dǎo)通狀態(tài)，輸出與輸入信號(hào)同頻率的脈沖信號(hào)，晶體管以信號(hào)頻率對(duì)電源進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，因?yàn)榘溯斎胄盘?hào)的 很多諧波成分，必須通過(guò)濾波器從輸出信號(hào)中分離出輸入頻率；另一方面，C類(lèi)功 率放大器能通過(guò)調(diào)整導(dǎo)通角，來(lái)獲得所需的諧波成分。圖2．7 C類(lèi)放大器原理圖 在C類(lèi)功放中，柵極的偏壓使得晶體管在小于一半的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。2．2．4 C類(lèi)功放C類(lèi)功放的原理圖如圖2．7所示，RL是負(fù)載，電感L和電容C是匹配網(wǎng)絡(luò)，它們與負(fù)載共同組成并聯(lián)諧振回路。這種設(shè)計(jì)可以獲得優(yōu)良的音質(zhì)并提高效率減少熱量，是一種頗為 合乎邏輯的設(shè)計(jì)。它在信號(hào)小時(shí)用A類(lèi)工作模式，獲得最佳線(xiàn)性， 當(dāng)信號(hào)提高到某一電平時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為B類(lèi)工作模式以獲得較高的效率。由于漏源極之間的電壓降很大， 所以會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)功耗IDSxVDS。 與B類(lèi)放大器電路類(lèi)似，AB類(lèi)放大器也需要一些控制電路以使其提供或吸收 大的輸出電流。由于這一優(yōu) 點(diǎn)，AB類(lèi)放大器在傳統(tǒng)的音頻放大器中得到了廣泛應(yīng)用。AB類(lèi)放大器的最大優(yōu)點(diǎn)是改 善了B類(lèi)放大器的非線(xiàn)性，消除了交越失真。晶體管工作時(shí) 間大于半個(gè)周期但小于一個(gè)周期，即導(dǎo)通角在900至lJl800之間。小的DC偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質(zhì)。2．2．3 AB類(lèi)功放 與前兩類(lèi)功放相比，AB類(lèi)功放可以說(shuō)是在性能上的妥協(xié)。但是B類(lèi) 放大器電路的音質(zhì)較差，因?yàn)楫?dāng)輸出電流過(guò)零點(diǎn)和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時(shí) 會(huì)造成線(xiàn)性誤差(交越失真)，由于在信號(hào)非常低時(shí)失真十分嚴(yán)重，所以交越失 真令聲音變得粗糙。B類(lèi)功放的工作方式是當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，輸出晶體管不導(dǎo)電，所以不消耗功率。其輸出晶體 管是以推拉方式獨(dú)立控制，從而允許高端晶體管為揚(yáng)聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負(fù)電流。 電源輸入功率為圖2．4 B類(lèi)放大器的固定偏置點(diǎn)可見(jiàn)，B類(lèi)放大器的最大工作效率大于A類(lèi)放大器，其晶體管的靜態(tài)偏置電 流為零。其簡(jiǎn)化電路如圖2．3所示。在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，功率損失為零。由于效率比較低，現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不再使用。電 路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。放大器可單管工作，也可以推挽工作。 一般而言，A類(lèi)功放的售價(jià)約為同等功率AB類(lèi)功放的兩倍或更多。一部25W的A類(lèi)功放供電器的能力至少夠100瓦AB類(lèi)功放使用。A類(lèi)功放發(fā)熱量驚人，為了有效處 理散熱問(wèn)題，A類(lèi)功放必須采用大型散熱器。當(dāng)信號(hào)電平增加時(shí)，有些功率可進(jìn)入負(fù)載，但許多仍轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵝汀類(lèi) 功放的工作方式具有最佳的線(xiàn)性度，每個(gè)輸出晶體管均放大信號(hào)全波，完全不存 在交越失真(Switching Distortion)，即使不使用負(fù)反饋，它的開(kāi)環(huán)失真仍十分低， 因此被稱(chēng)為聲音最理想的放大線(xiàn)路設(shè)計(jì)。當(dāng)無(wú)信號(hào)時(shí)，兩個(gè)晶體管各流通等量的電流， 因此在輸出中心點(diǎn)上沒(méi)有不平衡的電流或電壓，故無(wú)電流輸入揚(yáng)聲器。A類(lèi)放大器的優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)性度最好，失真最小。圖2．2 A類(lèi)放大器的固定偏置點(diǎn) 由式(23)可見(jiàn)，當(dāng)Vp=Vcc且Vp=IqRl時(shí)，A類(lèi)放大器具有最大工作效率，為25％。圖21 A類(lèi)放大器原理圖A類(lèi)放大器的工作偏置點(diǎn)如圖22所示，在一個(gè)完整的信號(hào)周期中，A類(lèi)放大 器的功率晶體管一直處于線(xiàn)性放大狀態(tài)，即導(dǎo)通角0=1800(在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)， 導(dǎo)通角度的一半定義為導(dǎo)通角)。 A類(lèi)放大器結(jié)構(gòu)可稱(chēng)為壓控電流源模型(VCCS：Voltage Controlled CurrentSource)，本質(zhì)上是一個(gè)單獨(dú)的源極跟隨器。在理想情況下，A類(lèi)放大電路的效率最高只 能達(dá)到50％。2．2音頻功率放大器的分類(lèi)2．2．1 A類(lèi)功放A類(lèi)放大器也稱(chēng)為甲類(lèi)放大器，靜態(tài)工作點(diǎn)選在負(fù)載線(xiàn)的中間，在輸入信號(hào) 的整個(gè)周期內(nèi)電流連續(xù)地流過(guò)所有輸出器件，工作期間不產(chǎn)生開(kāi)關(guān)失真和交越失 真，處于良好的線(xiàn)性工作狀態(tài)。美國(guó)Tripass公司設(shè)計(jì)了改進(jìn)的D類(lèi)數(shù)字功放，取名為“T”類(lèi)功放。1983年，M．B．Sandier等學(xué)者 提出了D類(lèi)放大的PCM(脈碼調(diào)制)數(shù)字功放的基本結(jié)構(gòu)。早些時(shí)候人們已經(jīng) 論證了D類(lèi)音頻功率放大器的存在。因此，模擬音頻功率放 大器效率低，所需散熱器大，笨重，不符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的要求。第三代MOSFET功放的中頻和高頻音質(zhì)接近電子管 功放，但低頻的柔和度比晶體管功放差一些，此外MOSFET開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管容 易被輸出和輸入過(guò)載損壞。90年代初，MOSFET的制造技術(shù)有了很大突破，出現(xiàn)了一種高速M(fèi)OSFET大功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。80年代中期歐洲首先 推出了采用MOSFET音頻場(chǎng)效應(yīng)管的功放，MOSFET具有晶體管的基本優(yōu)點(diǎn)。電子管是一種電 壓控制器件，需要的控制功率極微，開(kāi)關(guān)速率很快。晶體管功放具有許多寶貴優(yōu)點(diǎn)，它的失真低于萬(wàn)分之一，但其音質(zhì)聽(tīng)覺(jué)效率 總不如電子管功放那么逼真，細(xì)膩，尤其是在表現(xiàn)瞬態(tài)變化快而清脆的打擊樂(lè)， 弦樂(lè)和渾厚回蕩的鋼琴曲方面感覺(jué)最明顯。隨著晶體管制造技術(shù)的不斷提高和新技術(shù)的應(yīng)用，各項(xiàng)實(shí)用性指標(biāo)和可靠性 指標(biāo)都有很大改善，并不斷在向更大的輸出功率，更小的體積，更輕的重量，更多的功能和智能化方向發(fā)展，如美國(guó)CROWN公司的MA．5000VZA功放，其最大輸出功率可達(dá)4000W／8f2(橋接，單通道)；完善的可靠性設(shè)計(jì)使它在苛刻的環(huán)境中可連續(xù)工作，使得生產(chǎn)者可作三年免維護(hù)的保證；插入可編程的輸入處理模塊USP3；可對(duì)1,,2000臺(tái)功放的工作狀態(tài)進(jìn)行程控調(diào)節(jié)和各