【正文】 線電壓提升 ”現(xiàn)象產(chǎn)生，這樣會(huì)造成母線電容被從加載來的能量充電。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。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(jì)中達(dá) 90%。 從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)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。這個(gè)信號(hào)和高頻三角或鋸齒波形相比可以產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。電路運(yùn)用從半橋輸出的反饋來補(bǔ)償母線電壓的變化。 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。 D 功放原理框圖，在一個(gè)線性功放中信號(hào)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。音頻信號(hào)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(hào)，其載波信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)輸出器件，用最后的低通濾波器去除高頻 PWM 載波頻率。為此 ,主要將對(duì)說明這類 D類功放作以說明。 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。 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。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(shí)刻比 PWM1 的清 0 滯后了半個(gè)周期。這樣實(shí)現(xiàn)了與輸入脈寬數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的 PWM 信號(hào)的輸出。 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(shí)，變換器輸出不同脈寬的 PWM1 和 PWM2 信號(hào)。該方案在全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽高效率音頻功率放大器的設(shè)計(jì) 中得到了很好的應(yīng)用。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(hào)。采用這種 PWM 方法能夠抑制零信號(hào)輸入時(shí)的靜態(tài)損耗，從而有利于放大器效率的提高。 圖 32 H 全橋電路 采取改進(jìn)的 PWM 調(diào)制方案：零信號(hào)輸入時(shí) 2 路輸出的 PWM 同相，負(fù)載上的電壓為 0，當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，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(hào)為負(fù)時(shí)，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％。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(jì)不好時(shí)，流過負(fù)載的電流就會(huì)更大，從而導(dǎo)致負(fù)載損耗大，降低放大器效率。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。 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(hào)幅度對(duì)三角波進(jìn)行調(diào)制，得到占空比隨音頻輸入信號(hào)幅度變化的方波，并以相反的相位驅(qū)動(dòng)上下橋臂的功率管，使功率管一個(gè)導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)截止，再經(jīng)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號(hào)，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā) 聲。 D 類放大器的電路設(shè)計(jì) D 類放大器的組成 D類放大器的架構(gòu)有對(duì)稱與非對(duì)稱兩大類，在此討論的 D類功放針對(duì)的是對(duì)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(duì)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)。 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(hào)輸入，數(shù)字功放內(nèi)設(shè)有一個(gè) PCM 轉(zhuǎn)換為 PWM 的調(diào)制轉(zhuǎn)換裝置。 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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)解調(diào)出來。 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(hào)為基礎(chǔ)，而是以放大數(shù)字信號(hào)為原理的一種數(shù)字信號(hào)放大技術(shù)。 PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)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。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?？欤蚨蕵O高，產(chǎn)生的熱量很低，所以 D 類放大器不需要散熱器。 D類放大器需要兩只 MOSFET，他們?cè)诜浅６痰臅r(shí)間內(nèi)可完全工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下。此處的 線性 是指 MOSFET 保持連續(xù)性的工作狀態(tài)，此時(shí)漏電流是所施加在柵極和源極之間電壓的函數(shù)。所謂開關(guān)模式，就是器件充當(dāng)一個(gè)簡單的開關(guān)，在開與關(guān)兩個(gè)狀態(tài)之間切換。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。 (5)MOSFET 具有并行工作能力，具有正的電阻溫度系數(shù)。 (4)MOSFET 沒有二次擊穿失效機(jī)理，他在溫度越高時(shí)往往耐力越強(qiáng)，發(fā)生熱擊穿的可能性越低。 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 6 (2)從二者的驅(qū)動(dòng)電路來看，功率 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡單， BJT 可能需要多達(dá) 20％的額定集電極電流以保證飽和度，而 MOSFET 需要的驅(qū)動(dòng)電流則小得多，而且通?？梢灾苯佑?CMOS 或者集電極開路 TTL 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。通過一個(gè)比較器將音頻信號(hào)與高頻三角波進(jìn)行比較，當(dāng)反相端電壓高于同相端電壓時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)反相端電壓低于同相端電壓時(shí)，輸出為高電平。 D 類放大器工作在開關(guān)狀態(tài)下可以采用脈寬調(diào)制 (PWM)模式。最后還不能忽視新的架構(gòu)技術(shù)。為了生成精確的音頻，輸入晶體管需要在動(dòng)態(tài)范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助精確地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的功率分配。但是首先這代放大器變得價(jià)格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超過了 AB 類放大器 ，從而獲得了一定的應(yīng)用。 第二代 D類放大器把一個(gè)用于模擬源信號(hào)的 PWM信號(hào)和一個(gè)集成的輸出級(jí)以及片外濾波器組合在一起。與體積龐大的傳統(tǒng)線性放大器相比，使用 D類放大器并不影響音頻信號(hào)的音質(zhì)卻能夠?qū)崿F(xiàn)便攜產(chǎn)品的小型化，因此市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品薄型化、便攜式的需求 趨勢(shì)造就了傳統(tǒng)放大器向數(shù)字放大器的轉(zhuǎn)化。并且由于 D 類放大器的耗電低、發(fā)熱少等諸多特點(diǎn)，越來越得到日益強(qiáng)調(diào)環(huán)保的市場(chǎng)的認(rèn)同。 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 5 第 2 章 音頻放大器 音頻放大器 音頻放大器的歷史 音頻放大器已經(jīng)快有一個(gè)世紀(jì)的歷史了，最近幾年，電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展。噪聲小比較容易辦到，只要加大濾波電容器的容量就可以，但是要做到輸出能力強(qiáng)卻不簡單。電源部份作為推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲的源泉，再也不應(yīng)象過去那樣隨便找個(gè)整流電源接上了事。正是這些優(yōu)質(zhì)的元器件，讓對(duì)稱電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)得以充分體現(xiàn)，今天看 到一臺(tái)全無負(fù)反饋的電路也不會(huì)覺得驚訝，因?yàn)橐呀?jīng)有足夠好的開環(huán)性能了，又何必為了幾個(gè)儀器上的數(shù)據(jù)去犧牲放大電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)呢 ? 放大器的電源與甲類放大器 極端重視電源的現(xiàn)代放大器 “放大器不過是電源的調(diào)制器 ”，這句話道出了放大的實(shí)質(zhì)。 隨著節(jié)目源的變化，音樂中包含大量瞬變、高能量的成份，要完美地重現(xiàn)這些細(xì)節(jié)，就要求放大器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)晶體管配對(duì)的要求就不僅是靜態(tài)的 HrR 和VBE 匹配，而且在動(dòng)態(tài)時(shí)也要高度匹配，這無疑對(duì)元器件參數(shù)的平衡提出了更苛刻的要求。差動(dòng)電路是集成運(yùn)放中廣泛采用的結(jié)構(gòu)，其性能是建立在兩只差分管 Hrs 和 Vss 精確匹配的基礎(chǔ)之上。 PIONEER 的 M22K 功率放大器就是采用的這種電路結(jié)構(gòu)，取得了非常好的效果。電壓推動(dòng)級(jí)也采用對(duì)稱的差動(dòng)放大，這不僅可以改善輸入級(jí)的平衡性，提高放大能力和共模抑制比，而且同樣 可以降低推動(dòng)級(jí)的失真，因?yàn)椴顒?dòng)式放大電路當(dāng)輸入在一定的大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 4 范圍內(nèi)時(shí)具有線性的傳輸特性，有的電路還在 Qn、 Qz 的發(fā)射極串人負(fù)反饋反阻，更加擴(kuò)大了線性范圍。 當(dāng)今許多最先進(jìn)的功率放大器采用的也是這種電路結(jié)構(gòu)。 依然是一種不平衡的設(shè)計(jì)，這一限制來源于輸入級(jí)。寬頻響的推動(dòng)級(jí)拉開了與輸入級(jí)極點(diǎn)的距離，相位補(bǔ)償變得很 ’容易，而且電容 C 的容量可以大大減小，這對(duì)于改善 TIM 失真是很有利的。 共射 ——共基電路又叫 “猩爾曼 ”電路，它原先是高頻電路中廣為采用的結(jié)構(gòu)，但用于音頻電路中同樣可以發(fā)揮出色的性能。典型的 OCL 放大器外，單管放大的過載能力也很差，這一系列的缺點(diǎn)是不利于電路的動(dòng)態(tài)性能的。如果以現(xiàn)代的眼光來審評(píng)，這一電路是顯得過時(shí)了一點(diǎn)。 最初采用對(duì)稱設(shè)計(jì)的例子要算互補(bǔ)對(duì)稱電路了，一上一下的兩只異極性晶體管作推挽輸出，不僅 可以免除笨重的輸出變壓器，而且電路的偶次諧波失真在推挽的過程中被抵消了，保真度有了很大提高。上面所說的都是藝術(shù)，對(duì)稱和平衡給人一種安定、完美的感覺。 功放輸入級(jí) —差動(dòng)與共射 共基 對(duì)稱和平衡是電路發(fā)展的方向?qū)ΨQ和平衡也許是世上事物完美的標(biāo)志之一。嚴(yán)重的 TIM 失真反映在聽感上類似高頻交選失真，而較弱的 TIM 失真給人以 “金屬聲 ”的不快感覺，導(dǎo)致音質(zhì)劣化。如果過渡脈沖波形上還疊加有正弦信號(hào)，輸出端還會(huì)得到很多輸入信號(hào)頻譜不存在的互調(diào)頻率成份，這就是 TIM 失真。顯然，在電容 C充、放電期間，輸出電壓 V。60dB 的負(fù)反饋，所以對(duì)一臺(tái)增益要求為 26dB 的放大器，它的開環(huán)增益就要 達(dá)到 686dB。 瞬態(tài)互調(diào)失真的大意是這樣的： 在直接耦合的晶體管放大電路中，為了得到很小的諧波失真度和寬闊平坦的頻率響應(yīng)，通常對(duì)整體電路施加深達(dá) 40dB 一 60dB 的負(fù)反饋，倘若在加負(fù)反饋前放大器的開環(huán)失真為 10％，那么加上 40dB 的負(fù)反饋后，失真即可降低至 0． 1％，這是電子管功效難以做到的。這一現(xiàn)象引起了當(dāng)時(shí)同一工廠的 的重視，之后，他對(duì)此進(jìn)行了悉心研究，于 1970 年首先發(fā)表丁關(guān)于晶體管功率放大器瞬態(tài)互調(diào)失真 (TIM)的論文。 瞬態(tài)互調(diào)失真的提出是認(rèn)識(shí)上的一次飛躍七十年代，功率 放大器的發(fā)展史中出現(xiàn)了一件最引人注目的事情，這就是瞬態(tài)互調(diào)失真(Transientlntermodulation)及其測(cè)量方法的提出。在商品化的晶體管擴(kuò)音機(jī)中，相繼出現(xiàn)了一些摧琛奪目的名機(jī)，如 JBL的 SA600，Marantz 互補(bǔ)對(duì)稱電路 MOdel15 等等。到了六十年代末，大功率的 PNP 硅管商品化的時(shí)候，互補(bǔ)對(duì)稱電路才得到廣泛的應(yīng)用。 晶體管功放的發(fā)展和互調(diào)失真 隨著 半導(dǎo)體工藝的逐漸成熟，大電流、高耐壓的晶體管品種日益增加，越來越多的功率放大器采用了無輸出變壓器的 OCL電路或 OTL電路。變壓器的相移又使電路中加深度負(fù)反饋?zhàn)兊煤芾щy，諧波失真得不到充分的抑制，因此這一時(shí)期的晶體管放大器音質(zhì)是很差的。這樣，放大器的頻率響應(yīng)也就很狹窄，其 3dB 截止頻率通常在 10kHz 左右，大大影響了音樂中高頻信號(hào)的重現(xiàn)。自從有了晶體管，人們就開始用它制造功率放大器?；仡櫼幌鹿β史糯笃鞯陌l(fā)展歷程，對(duì)我們廣大音響愛好者來說也許是一件饒有趣味的事情。放大器效率高意味著基站成本更低，包括最初采購成本低，以及更低的功率消耗和操作成本。中國開始部署 TDSCDMA也將促進(jìn)整體市場(chǎng)增長。 “這對(duì)市場(chǎng)來說既是機(jī)會(huì)又是挑戰(zhàn)，現(xiàn)在中國廠商在射頻功率放大器市場(chǎng)中規(guī)模還不大。這對(duì)功率放大器和器件市場(chǎng)帶來直接影響。盡管 GSM 市場(chǎng)緩慢下滑，但用戶對(duì) EDGE 的數(shù)據(jù)傳送率感到滿意。研究報(bào)告也指出，最近 15 個(gè)月射頻功放市場(chǎng)上出現(xiàn)兩個(gè)明顯變化：中國供應(yīng)商開始?xì)⑷胧袌?chǎng)，使用高效率放大器的設(shè)計(jì)增長。 關(guān)鍵字： 功率放大器；晶體管； D 類放大器；音頻放大器； LM4651/LM4652 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 II 目錄 摘要 ........................................................................................................................ I ABI Research 全球射頻功率放大器市場(chǎng)前景 ..............................................1 展望市場(chǎng) ............................................