【正文】 ium，證實了D類放大器的概念，但是該技術(shù)還不能提供足夠的性能，這使第一代D類放大器向著實用性的方向發(fā)展。這些放大器需要源選擇，音量，平衡和音調(diào)控制等復雜的前端功能，而這些附加的功能增加了額外的復雜性。第三代是最近一段時間，現(xiàn)有的D類數(shù)字放大器較以前的技術(shù)已有所改善，他們在音質(zhì)、封裝、性能、價格和核心技術(shù)方面都已取得重大改進。通過采用一個簡單但功能強大的內(nèi)部控制邏輯系統(tǒng)改善音頻輸出，并額外增加一套輸入晶體管，這些晶體管可以實現(xiàn)對音頻信號輸入的更精細的控制。2 音響的相關(guān)知識 聲音的基本特性音量：它與聲波的物理量“振幅有關(guān)，聲波的振幅大，人耳就感覺聲音響，音量大，反之，則聲音輕，音量小，音量的大小是人耳聽音的主觀感覺。人耳的聽覺范圍：20Hz到20KHz稱之為可聽聲音，低與20Hz稱為次聲，高于20KHZ的稱為超聲，人耳對3K左右的聲音最敏感。 放大器的技術(shù)指標（1）額定功率音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值的最大功率稱為額定功率，表達式：。測量條件如下：信號發(fā)生器輸出頻率為1KHz，電壓=20mV正弦信號。測量后應(yīng)迅速減小，以免損壞功率放大器。測量條件如下：調(diào)節(jié)音量控制器使輸出電壓約為最大輸出電壓的一半，輸入端接音調(diào)控制器，使信號發(fā)生器的輸出頻率從20Hz到20KHz變化，測出負載電阻上對應(yīng)的輸出電壓。（4）噪聲電壓使輸入為零時，輸出負載上的電壓稱為噪聲電壓。 功率放大器的分類A類放大器也稱為甲類放大器，靜態(tài)工作點選在負載線的中間，在輸入信號的整個周期內(nèi)電流連續(xù)地流過所有輸出器件，工作期間不產(chǎn)生開關(guān)失真和交越失真，處于良好的線性工作狀態(tài)。在理想情況下，A類放大電路的效率最高只能達到50％。A類放大器結(jié)構(gòu)可稱為壓控電流源模型(VCCS：Voltage Controlled Current Source)，本質(zhì)上是一個單獨的源極跟隨器。圖21 A類放大器原理圖A類放大器的工作偏置點如圖22所示，在一個完整的信號周期中，A類放大器的功率晶體管一直處于線性放大狀態(tài)，即導通角為=180176。A類放大器的偏置電流大于輸入電流，Q點(靜態(tài)偏置點)處于負載線的中心。由于A類放大器效率較低，在實際應(yīng)用中，當輸入信號功率大于1W時，一般不采用A類放大器。A類功放輸出級中兩個(或兩組)晶體管永遠處于導電狀態(tài)，也就是說不管有無信號輸入它們都保持傳導電流，并使這兩個電流等于交流電的峰值，這時交流電在最大信號情況下流入負載。當信號趨向正極時，線路上方的輸出晶體管容許流入較多的電流，下方的輸出晶體管則相對減少電流，由于電流開始不平衡，于是流入揚聲器而且推動揚聲器發(fā)聲。但這種設(shè)計有利有弊，A類功放最大的缺點是效率低，因為無信號時仍有滿電流流入，電能全部轉(zhuǎn)為高熱量。A類功放是重播音樂的理想選擇，它能提供非常平滑的音質(zhì)，音色圓潤溫暖，高音透明開揚，這些優(yōu)點足以補償它的缺點。因為它的效率低，供電器一定要能提供充足的電流。所以A類功放的體積和重量都比AB類大，這使得制造成本增加，售價也較貴。A類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q設(shè)定在負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導通。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25％，且有較大的非線性失真。B類放大器也稱為乙類放大器，其中功率器件導通時間不再是輸入信號的整個周期，而是半個周期。工作原理就是把A類放大器靜態(tài)工作點Q下移，使輸入信號為零時電源輸出的功率也等于零；輸入信號增大時電源供給的功率也隨之增大，這樣電源供給功率和管耗都隨著輸出功率的大小而改變，也就改善了A類放大時效率低的狀況，完全輸出理論值為78．5％。圖23 B類放大器原理圖B類放大器是一種互補式輸出結(jié)構(gòu)，兩個晶體管不能同時工作，每個晶體管工作半個周期，導通角=90176。設(shè)輸出信號為，可得輸出負載的平均功率為：電源輸入功率為：圖24 B類放大器的固定偏置點工作效率為： 由上式子可見，當時，B類放大器具有最大工作效率，為：可見，B類放大器的最大工作效率大于A類放大器，其晶體管的靜態(tài)偏置電流為零。其輸出晶體管是以推拉方式獨立控制，從而允許高端晶體管為揚聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負電流。B類功放的工作方式是當無信號輸入時，輸出晶體管不導電，所以不消耗功率。但是B類放大器電路的音質(zhì)較差，因為當輸出電流過零點和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時會造成線性誤差(交越失真)，由于在信號非常低時失真十分嚴重，所以交越失真令聲音變得粗糙。與前兩類功放相比，AB類功放可以說是在性能上的妥協(xié)。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)。晶體管工作時間大于半個周期但小于一個周期，即導通角在90176。之間。AB類放大器的最大優(yōu)點是改善了B類放大器的非線性，消除了交越失真。由于這一優(yōu)點，AB類放大器在傳統(tǒng)的音頻放大器中得到了廣泛應(yīng)用。與B類放大器電路類似，AB類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。由于漏源極之間的電壓降很大，所以會產(chǎn)生很大的瞬時功耗IDSVDS。它在信號小時用A類工作模式，獲得最佳線性，當信號提高到某一電平時自動轉(zhuǎn)為B類工作模式以獲得較高的效率。這種設(shè)計可以獲得優(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。C類功放的原理圖如圖27所示，是負載，電感L和電容C是匹配網(wǎng)絡(luò)，它們與負載共同組成并聯(lián)諧振回路。圖27 C類放大器原理圖在C類功放中，柵極的偏壓使得晶體管在小于一半的時間內(nèi)導通。當驅(qū)動信號足夠強時，晶體管會進入飽和導通狀態(tài)，輸出與輸入信號同頻率的脈沖信號，晶體管以信號頻率對電源進行導通和關(guān)斷，輸出信號相對于輸入信號會產(chǎn)生嚴重的失真，因為包含了輸入信號的很多諧波成分，必須通過濾波器從輸出信號中分離出輸入頻率；另一方面，C類功率放大器能通過調(diào)整導通角，來獲得所需的諧波成分。其工作偏置點如圖28所示。數(shù)字功率放大器分為兩種類型。此類數(shù)字式功率放大器在由數(shù)字音源輸入數(shù)字信號后，即由其數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器將信號變換為模擬信號，再由模擬功率放大器對模擬信號進行放大，這類放大器的控制采用數(shù)字電路，可進行遙控，但受數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器精度所限，音質(zhì)還不夠完美。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。D類功放的放大晶體管一經(jīng)開啟即直接將其負載與供電器連接，電流流通但晶體管無電壓，因此無功率消耗。D類功放最大的優(yōu)點是效率最高，供電器可以縮小，幾乎不產(chǎn)生熱量，因此無需大型散熱器，機身體積與重量顯著減少，理論上失真低、線性佳。在這一任務(wù)面前，D類放大器表現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢。相關(guān)的功耗將使效率降低。當載波頻率很高時，滿足這一要求的困難將會更大。但它對于關(guān)斷過渡沒有任何作用，而關(guān)斷過渡的邊沿常常是更成問題的。F類功率放大器利用電抗終端阻抗的特性可以對晶體管漏端電壓或電流中的諧波成分進行控制，歸整晶體管漏端的電壓或電流波形，使得它們沒有重疊區(qū)，減小開關(guān)的損耗，提高功率放大器的效率。對于小輸入信號，根據(jù)導通角的不同，功率放大器的工作類型可為A、AB、B和C類，其中導通角由晶體管的閾值電壓和偏置電壓決定，可通過減小導通角來提高功率放大器的效率，但輸出功率將同時減小。A類功率放大器提供了很好的線性度，但效率很低；B類和AB類功率放大器通過減少一個周期中晶體管工作的時間來提高效率，同時保持了線性調(diào)制的可能性；，但由于開關(guān)速度不是無窮大，有較大的切換功耗；E類功率放大器解決了在導通過渡中的功耗問題，但在關(guān)斷過渡中具有更大的功耗，并且具有極差的歸一化功率傳遞能力；F類功率放大器的缺點是需要較復雜的電抗網(wǎng)絡(luò)。各類功率放大器的主要性能指標如表21所示。常見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。(2)低發(fā)熱。而D類放大器發(fā)熱少，能作小型封裝。(3)低消耗電力。在使用電池和干電池供電的應(yīng)用中，可保持長時間持續(xù)供電。和AB類音頻放大器相反，D類音頻放大器在一個給定時間內(nèi)向負載提供一個固定量的功率。D類放大器H橋中的理想輸出晶體管，可擁有等于零的(“開”態(tài)漏源電阻，即導通電阻)及無窮大的(“關(guān)”態(tài)漏源電阻，即關(guān)斷電阻)。由于兩個MOSFET均完全飽和，為“開”態(tài)，因此在其上只有很小的壓降。由此可見，D類放大器具有很高的效率，因為和AB類放大器相比，只有極少量的功率被輸出MOSFET消耗掉。所以D類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。因而可以減小晶體管的功率損耗，增加放大器的效率。出現(xiàn)在開關(guān)時間內(nèi)的損耗是由于MOSFET的上升時間和下降時間大于零。第一，輸出晶體管的開關(guān)并非即時完成。第二，晶體管柵極電容和寄生電阻形成RC時間常量，也增加了上升時間和下降時間。但總體而言，D類放大器的功率損耗是最小的，正是由于該類器件的開關(guān)特性，使放大器實現(xiàn)了高得多的效率。其中開關(guān)損耗就是輸出級瞬間工作在線性區(qū)的電壓電流乘積，而發(fā)熱損耗是電流流過導通管時由熱效應(yīng)引起的，其值等于電流平方和通態(tài)電阻的乘積。 D類功率放大器的性能指標音頻功率放大器的三個關(guān)鍵指標一總諧波失真(THD)、信噪比SNR(Signal Noise Ratio)和功率效率，使D類技術(shù)相對于模擬技術(shù)具有無可爭議的優(yōu)勢。放大器的功率效率定義為：由上式可知，越大，給定功率時所需的就越小，相應(yīng)地就越小，可選用PCM小的功率管，體積小的散熱器。這對于降低能源損耗和成本，減小功率放大器體積具有非常重要的意義。失真有諧波失真、互調(diào)失真、交叉失真、削波失真等。其失真大小是以輸出信號中所有諧波的有效值與基波電壓的有效值之比的百分數(shù)來表示，諧波失真度越小越好。③交叉失真：又稱交越失真，是由于功率放大器的B類推挽放大器功放管起始導通的非線性造成的，它也是造成互調(diào)失真的原因之一。一個理想的D類功放沒有失真，在可聽波段沒有噪音且效率是100％。其不完善是由于D類功放產(chǎn)生的失真開關(guān)波形造成的。ⅱ加在柵極驅(qū)動上的時間誤差，如死區(qū)時間，開通關(guān)斷時間，上升下降時間。ⅳ雜散參數(shù)導致過渡邊緣的振蕩。ⅵ輸出LPF中的非線性。特別是死區(qū)時間嚴重影響了D類功放的線性度。產(chǎn)生失真的機制包括調(diào)制技術(shù)或者調(diào)制器實現(xiàn)方案中的非線性——以及為了防止直通(shootthrough)電流問題而在輸出級引入的“死區(qū)”(dead time)。為了防止輸出級的直通電流而引入死區(qū)，就會帶來非線性的定時誤差，這又會在揚聲器上產(chǎn)生與相對于理想脈沖寬度的定時誤差成正比的失真量。其它的失真源包括輸出脈沖的上升和下降時間的不匹配、輸出晶體管柵極驅(qū)動電路的定時特性的不匹配以及LC低通濾波器的元件的非線性。之所以如此，是因為輸出級的晶體管將電源通過一個很小的電阻直接連接到低通濾波器上。D類放大器輸出的高頻分量值得認真考慮。兩種EMI需要考慮：輻射到空間的信號和通過揚聲器及電源線傳導的信號。但是，可以使用一些板級的設(shè)計方法減少D類放大器發(fā)射的EMI，而不管其基線譜如何。另一個要注意的地方是當輸出級晶體管柵極電容開關(guān)時會產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。通過將環(huán)路面積減至最小可降低環(huán)路中瞬態(tài)EMI的影響，意味著儲能電容應(yīng)盡可能靠近晶體管對它充電。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)，而不會沿電源線長距離傳導。當非重疊時間結(jié)束時，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪?。通過保持非重疊時間非常短(還建議將音頻失真減至最小)使EMI減至最小。這很有幫助，因為Schottky二極管的金屬半導體結(jié)本質(zhì)上不受反向恢復效應(yīng)的影響。雖然這些諧波頻率遠遠高于可聽波頻率，不能被人耳所聽到但可能會對RF等高頻信號產(chǎn)生干擾，這就是D類技術(shù)必須面臨的一大挑戰(zhàn)一電磁干擾。主要的EMI源來自MOSFET。在插入以阻止電流直通的死區(qū)時間內(nèi)，體二極管由輸出LPF中的電感電流打開。這個反向恢復電流具有尖峰形狀，并由于PCB板和封裝中的分布電容而引起不希望的振蕩。同時在技術(shù)上對D類音頻功放增加輸出MOSFET的柵極控制電路，防止了傳統(tǒng)D類放大器中感性負載自激所引起的高頻輻射，大大降低了電磁干擾。多種類型的放大器實現(xiàn)方案都可以做到這一點，但在放大器設(shè)計中應(yīng)該追蹤各個噪聲源，以確?？偟腟NR達到令人滿意的程度。這就意味著D類功放的電源抗擾比率是0dB，而線性的PSRR(電源電壓抑制比)就很好。幸運的是，這些問題有兩種解決方案。來自于LC濾波器輸入的反饋將大大改善PSR，并衰減所有的非LC濾波器失真。在設(shè)計合理的閉環(huán)D類放大器中，設(shè)計者可以獲得高保真級的音響品質(zhì)：PSR60dB，THD％。