【正文】 ，固定置偏 所形成的工作點在 Q點，當正弦音頻信號輸入時，其幅度未超出線性范圍，集電極工作狀態(tài)處于截止區(qū)和飽和點之內，集電極電流為完整的全周導通的正弦波，此時導通角為 180 度， (導通角是以最小值至最大值之間占全周的部分來計算，全周導通時為 180 度 )。 圖 31 A類放大器 2. B 類放大器 10 圖 32 B 類放大器 靜態(tài)置偏為 Q 點，處于截止點上，因此信號輸入時，只有半周導通 (導通角為 90 度 ) ，如圖 32所示， 。這種狀態(tài)失真度就很大了，所以一般乙類放大器都用雙管做成推挽式，每管工作半周構成完整的正弦波以減少失真。其情況如圖 33, 34。 C 圖 35 C 類放大 器 4. D 類放大器 以上各類放大器介紹可知，影響放大器效率的基本因素是無信號時的工作電流，所形成的直流功率損耗。為此，要提高效率則應降低工作點，使無信號時，無直流損耗。 如果輸入波形其他邊沿很陡直，降低工作點后，對導通角影響很小，那么失真劣化不大而 效率又可以提高。 D類放大器工作于開關狀態(tài)，無信號時無電流，而導電時，沒有直流損耗。正是由于 D類放大器的效率高， 100瓦輸出的設備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個平方厘米，電路板可作的很小， 大大減少了體積重量。 D類放大器與線性音頻放大器（如 A類、 B 類和 AB 類）相比，在功效上有相當?shù)膬?yōu)勢。因為 D 類放大器的晶體管只是作為開關使用的，用來控制流過負載的電流方向，所以輸出級的功耗極低。放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。 近年來，受以下兩個主要因素的影響，這樣的局面正逐漸扭轉，使 D類放大器在很多應用領域引起了人們的廣泛關注。 D類放大器的某些優(yōu)點推動了手機和 LCD 平板顯示器這兩個終端設備市場的迅速發(fā)展。 LCD 平板顯示器的發(fā)展對電子器件提出了“低溫運行 (cool running)”的需求，這是由于工作溫度的升高將影響顯示顏色對比度。影響 D類放大器應用的第二個因素便是自身技術的發(fā)展。此外，一些新型的 D 類放大器輸出調制方案還可以降低實際應用的 EMI。采用脈寬調制后，音頻信號便成為一系列的用“ 0”和“ 1”表示的寬度可變的脈沖串，脈沖的寬度越寬，信號的幅度就越大。由于受到脈寬調制數(shù)據(jù)流的作用，晶體輸出管將迅速地時而飽和導通工作，時而截止不工作。脈沖串在由晶體管放大 后，便由 LC 低通濾波器進行平滑處理，從而恢復為原有的音樂波形。其原理方塊圖如圖 41,波形圖如圖 42。從電路看，當兩支形狀短路阻抗為 0，開路阻抗為無窮大時，電路效率 100%。 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制，稱為 PWM 信號，即“脈寬調制”信號。當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變?yōu)閷挾入S正弦信號波幅變化的 PWM 波。 圖 43是 PWM 波的頻譜，當放大單一頻率正弦時，其頻譜中除低頻段存在與輸入信號同頻率的基波成分外，還存在各次諧波的頻譜。 15 圖 43 PWM 波的頻譜 D 類功放的 EDA仿真 EDA 仿真概述 EDA（ Electronic Design Automation ）是指以計算機為工作平臺，融合應用電子技術、計算機技術、智能化技術最新成果而研制成功的電子 CAD 通用軟件包。EDA 技術經(jīng)過了三個階段的發(fā)展。 EDA技術代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向。電工電子類專業(yè)課程中的電工基礎、模擬電子技術、數(shù)字電子技術都可以通過 EDA仿真軟件，進行電路圖的繪制、設計、仿真試驗和分析。 圖 4－ 4 給出了電路建模 EDA 仿真分析時一般的步驟根據(jù)流程圖的步驟 ，重點應該做好課題建模、儀器的連接、運行仿真試驗、分析結果等工作。測試儀器的使用，應注意相關的對話框設置，做到各項選擇符合其電路要求。 f 輸 入 信 號的頻率 諧波頻譜 16 Y N 元件參數(shù)調整 仿真測試 確定研究課題 仿真建模 設定測試點 及要求 選定測試儀器 仿真測試 數(shù)據(jù)綜合 分析結果 圖 4－ 4 EDA 仿真分析 流程圖 D 放大器原理仿真概述 根據(jù)上面的研究， D 類音頻功率放大器主要有三角波發(fā)生器、電壓比較器、場效應管驅動電路和低通濾波器構成，現(xiàn)將仿真電 路設計如下。 輸入信號抽樣―― PWM 波的形成仿真 圖 4－ 6 PWM 波的形成仿真 輸出信號 PWM 波的頻譜仿真分析 圖 4－ 7 傅里葉分析的設置 18 D 類功放的優(yōu)點 在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時連續(xù)輸出電流的晶體管。與 D 類放大器設計相比較，即使是最有效的線性輸出級，它們的輸出級功耗也很大。 和模擬功率放大器相比較， D類功率放大器有以下明顯優(yōu)勢： （ 1）直接接收 CD、 DVD 等數(shù)字音源輸出的同軸或光纖數(shù)字音頻信號，直接以數(shù)字 信號進行放大，體現(xiàn)了與數(shù)字音源的完美結合。由于采用無負反饋的放大電路、數(shù)字濾波器等處理技術，可以將輸出濾波器的截止頻率設計得較高，從而保證在 20Hz~20kHz 內得到平坦的幅頻特性和很好的相頻特性。由于它不需傳統(tǒng)功放的靜態(tài)電流消耗，所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲備，加之無模擬放大、無負反饋的牽制，故具有更好的“動力”特征。傳統(tǒng)功放一般都存在由于對管配對及各級調整不佳產(chǎn)生的過零、交越失真 。耗電量僅為同功率等級模擬放大器的三分之一。而 B 類放大器效率僅為 78%（理論值）， A類功放的效率就更低。 （ 6）適合于大批量生產(chǎn)。 19 5 D 類功放的硬件設計 D 類功放的設計原理 在音響領域里人們一直堅守著 A 類功放的陣地。但 是， A類功放的低效率和高損耗卻是它無法克服的先天頑跌。所以，效率極高的 D類功放，因其符合綠色華命的潮流正受著各方面的重視。而且近年來數(shù)字音響技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn) D類功放與數(shù)字音響有很多相通之處，進一步顯示出 D類功放的發(fā)展優(yōu)勢。無倍號輸入時放大器處于截止狀態(tài)，不耗電。這種耗電只與管子的特性有關，而與信號輸出的大小無關，所以特別有利于超大功率的場合。 D類功放實際上只具有開關功能，早期僅用于繼電器和電機等執(zhí)行元件的開關控制 電路中。 20 世紀 60年代，設計人員開始研究 D類功故用于音頻的放大技術， 70年代 Bose 公司就外始生產(chǎn)D類汽車功放。共今關鍵的一步就是村音頻信號的調制。把原始音頻信號加上一定直流偏置后故在運放的正輸入端，另通過自激振蕩生成一個三角形波加到運放的負輸入端。若音頻輸入信號為零、直流偏置置三角波峰值的 1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時間一樣，輸出就是一個占空比為 1﹕ 1的方波。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調制后的波形，稱為 PWM(Pulse Width Modulation 脈寬調制 )或 PDM(Pulse Duration Modulation 脈沖持續(xù)時間調制 )波形。 第二部分就是 D類功故，這是一個脈沖控制的大電流開關放大器，把比較器輸出的 PWM信號變成高電壓、大電流的大功率 PWM 信號。 第三部分需把大功率 PWM波形中的聲音信息還 原出來。但由于此時電流很大， RC 結構的低通濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用 Lc 低通濾波器。 21 圖 52 模擬 D 類功放工作原理 D 類功放設計考慮的角度與 AB 類功放完全不同。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號的幾十倍，且要求保 持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關響應要好。所隊飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結構也能得到簡化。現(xiàn)在小電流控制大電流的 MOSFET 已普遍運用于工業(yè)領域，特別是近年來 UHC MOSFET 已在 HiFi 功放上應用，器件的障礙已經(jīng)消除。要把 20KHz 以下的音頻調制成 PWM信號，三角波的頻率至少要達到 200KHz。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加接近原波形， THD 就小，而且可以用低數(shù)值、小體積和精度要求相對差一些的電感和電容來制成濾波器，造價相應降低。更高的調制頻率還會出現(xiàn)射頻干擾，所以調制頻率也不能高于 1MHZ。所以要實現(xiàn)高保真，出現(xiàn)了很多與數(shù)字音響保真相同的考慮。該低通濾被器工作在大電流下，負載就是音箱。實驗證明，當失真要求在 ％22 以下時，用二階 Butterworth 最平坦響應低通濾波器就能達到要求。 D 類功放的設計要素 雖然利用 D類放大器的低功耗優(yōu)點有力推動其音頻應用，但是有一些重要問題需要設計考慮，包括：輸 出晶體管尺寸選擇；輸出級保護；音質處理；抗電磁干擾 ( EMI)； LC濾波器設計；系統(tǒng)成本；散熱。當傳導大的IDS 時保證 VDS 很小，要求輸出晶體管的導通電阻 (RON)很小 (典型值為 ～)。開關電容柵極驅動電路的功耗為 CV2f，其中 C是電容， V 是充電期間的電壓變化， f是開關頻率。因此，晶體管尺寸的選 擇是傳導期間將 IDS VDS 損失降至最小與將開關損耗降至最小之間的一個折衷。功率晶體管制造商試圖將其器件的RON CG 減至最小以減少開關應用中的總功耗，從而提供開關頻率選擇上的靈活性。為了防止過熱危險，需要溫度監(jiān)視控制電路。除了簡單的有關溫度是否已經(jīng)超過關斷閾值的二進制指示以外，傳感器還可提供其它的溫度信息。 輸出晶體管過流 : 如果輸出級和揚聲器端正確連接，輸出晶體管呈低導通電阻狀態(tài)不會出現(xiàn)問題，但如果這些結點不注意與另一個結點或正、負電源短路，會產(chǎn)生巨大的電流。因此，23 需要電流檢測輸出晶體管保護電路。在比較復雜的方案中，電流傳感器輸出反饋到放大器中，試圖限制輸出電流到一個最大安全水平，同時允許放大器連續(xù)工作而無須關斷。有效的限流器還可在由于揚聲器共振出現(xiàn)暫時的大瞬態(tài)電流時保持放大器安全工作。如果電源電壓太低，出現(xiàn)欠壓情況，就會出現(xiàn)問題。 圖 53 輸出級晶體管的先合后開開關 輸出晶體管導通時序 : MH和 ML輸出級晶體管 (見圖 53)具有非常低的導通電阻。最好的情況是晶體管發(fā)熱并且消耗功率；最壞的情況是晶體管可能被毀壞。兩個晶體管都斷開的時間間隔稱為非重疊時間或死區(qū)時間。 “卡搭”聲：當放大器導通或斷開時發(fā)出的卡搭聲非常討厭。 信噪比 (SNR):為了避免放大器本底噪聲產(chǎn)生的嘶嘶聲，對于便攜式應用的低功率放大器， SNR 通常應當超過 90 dB，對于中等功率設計 SNR 應當超過 100 dB，對于大功率設計應當超過 110 dB。 24 失真機理 : 失真機理包括調制技術或調制器實現(xiàn)中的非線性，以及為了解決沖擊電流問題輸出級所采用的死區(qū)時間。用于防止輸出級沖擊電流附加的死區(qū)時間會引入非線性時序誤 差，它在揚聲器產(chǎn)生的失真與相對于理想脈沖寬度的時序誤差成正比。其它失真源包括：輸出脈沖上升時間和下降時間的不匹配，輸出晶體管柵極驅動電路時序特性的不匹配，以及 LC 低通濾波器元器件的非線性。發(fā)生這種情況是因為輸出級晶體管通過一個非常低的電阻將電源連接到低通濾波器。 圖 54 D 類開環(huán)放大器 框圖 如果不解決失真問題和電源問題，就很難達到 PSR 優(yōu)于 10 dB，或總諧波失真 (THD)優(yōu)于 %。 使用具有高環(huán)路增益的反饋 (正如在許多線性放大器設計中所采用的 )幫助很大。LC 濾波器非線性可通過在反饋環(huán)路中包括的揚聲器進行衰減。 但反饋使得放大器的設計變得復雜，因為必須滿足環(huán)路的穩(wěn)定性 (對 于高階設計是一種很復雜的考慮 )。在集成電路放大器實現(xiàn)中，這會增加管芯成本。有些產(chǎn)品用一個數(shù)字開環(huán)調制器和一個模數(shù)轉換器來檢測電源變化，并且用25 調整調制器進行補償。其它的數(shù)字調制器試圖對預期的輸出級時序誤差進行預補償，或對非理想的調制器進行校正。對于音質 要求寬松的應用，可通過這些開環(huán) D類放大器進行處理，但對于最佳音質，有些形式的反饋似乎是必需的。如果不正確理解和處理，這些分量會產(chǎn)生大量 EMI 并且干擾其它設備的工作。D類放大器調制方案決定傳導 EMI 和輻射 EMI 分量的基線譜。 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，因為與 EMI相關的強度與 環(huán)路面積及環(huán)路與其它電路的接近程度有關。電流驅動和回路印制線應當集中在一起以將環(huán)路面積減至最小 (揚聲器使用雙絞線對接線很有幫助 )。通常這個電荷來自儲能電容，從而形成一個包含兩個電容的電流環(huán)路。 有時，插入與放大器電源串聯(lián)的 RF 厄流線圈很有幫助。 如果柵極驅動非重疊時間非常長，揚聲器或 LC 濾波器的感應電流會正向偏置輸出級晶體管端的寄生二極管。在二極管完全斷開之前，會出現(xiàn)大的反向恢復電流尖峰，從而產(chǎn)生麻煩的EMI 源。如果反向恢復方案仍不可接受，可使用肖特基 (Schottky)二極管與該晶體管的寄生二極管并聯(lián)，以轉移電流并且防止寄生二極管一直導通。 具有環(huán)形電感器磁芯的 LC 濾波器可將放大器電流導致的雜散現(xiàn)場輸電線影26 響減至最小。