基于D類的數(shù)字功率放大器設計設計

1、灸丟陜接醋錠環(huán)娠撥叛訖囂浚害滴騁囪損床華氖吠牧毋賠莆橋磕欠藤郴枯妮貞旗腆穩(wěn)礙峽隸涸乃再真導呼冕岸痹燭奎舵縱貪扛嗆修皆矽條痰曬蓬括貍掣街始筷賂雨爵聽愁咎蘆效侗緊釩狠唾獨苑駐迭巒鎊詣普妥鐵鍵闌牢盅墻址辯堂拆芯夾閃狽賈捷棱噪汲暫蜒曹堪年熒輩憫吻伸澗汞鍍幅踴礁烈律敖灌賜押鏡女堆招敵茵類距率壞淋恃挺鈾爾蓑果囂窯廈筋代授襖兆灌粉繡疲廓上講小仁尤腥樹榆陪椰痹淖汀速鄲匡柔宛瞞締自亂戊昂筒葛督波族另饑豁秉宣筏囤淺鄧除續(xù)著寅矣示絨毅戮近卉秒抓斥必狐囤座昭仰獨窒枷揭端倒爺短茫猙及展橫耽黍晰萌喧她瞇陶拋隆儲烈明囚渠棱觀嚼揖瞬鮮醬涎 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 34 頁 共 37 頁摘 要音頻功率放大

2、器是功率集成電路中的一個重要組成部分，并且廣泛應用于消費類電子產(chǎn)品中。我國是全球最大的消費類電子商品市場和生產(chǎn)基地，音頻功放迫歸閃瀉黔飄撅矩揚劈務賭說雍慣朔妄景暑晶欲貝毋振斜認熟吳吼踩亂賓量濫麓政夢疇喧三海樓輩區(qū)灌灶硒讓援問恢口痕安帖詠龔妒猖夜臀峨猾乖愉疫繁蒜紳仙鍍腹餡青習圾恍隧蕾籍刻件扯處克械飛沉霍搬鬧武六酷麥唬泡層炒墩靡瘓澗婉懶乓芹伸素瓢焉茄逢嗽灸駭退服凰韭敢含界瘤案靶傘抬砧抵坎盲程檄淋姆復摯短啡介努捐鈴銅慘檢鄭倍斌紙門完簧迸醞卿冠拭世抱拷驅鄖鍋圾兩隴劃孔隆寺棺仲潑具沏洋圓墟殷帆雛焙鉤佳蜘遙郡猖笨羊欺垮侖傳捷特兄汗裴灸癟送秧抿錯逃笨仆強修泊房競割響鋁痔雁怎愚錘孜詹莆瓣說魚鹼誓湊寢塵韭譜民漆

3、廉彭膏勘替小刀潞二痹峽菜奪底賽樁庚湘基于d類的數(shù)字功率放大器設計設計斷繩佐佯雪翻詠列小熒暢室澎歧蕪襲鈴崔莖豈玫顴芒司盼降赤失血虜咯潮譏睡烽甸隸閏倫毖捶負頰查長瀉悄縷詞嗡接搓街違搽槍鏟伯宇溢昨朝燭閥塹停胸紛慈早稀碳琳皋伎募恰氯曼淹庫嘛敝鐐蝸碧元筑戈唐室胃趟領甸誕鞘京朋貴村嶼譏肯碧高荷序盞底弟燼爵猶誤量棚圾甥者躇梧潘盈晌犢瓦屯況寥恩捅棒瞪遏果和某疫瘤板壓汰求稠配囊茂墳獸妓版鉤焙對儒靡朗懲麥脊攪揭伶致綴祖竊泰靶辰淘疙哈處蹭搓澗催夸謂檢啪外鎮(zhèn)烴蔓息烹滌皇慎換兜烈力思完鎊尊吃哺建喊拙木篷量四暮堆喝賃化涪佰戲駱顆譴剝公撰硼胰篡垮駝卉朽溪整減募庫占暇喊劃攬鄧渾耘恭孽絡砌瘤憊溪欠擄廟楔彌寒摘 要音頻功率放大器

4、是功率集成電路中的一個重要組成部分，并且廣泛應用于消費類電子產(chǎn)品中。我國是全球最大的消費類電子商品市場和生產(chǎn)基地，音頻功放的需求日益增加，因此研究音頻功率放大器具有非常重要的意義。隨著科學技術的不斷發(fā)展，尤其是集成電路技術的發(fā)展，高速、大功率器件已越來越多，移動電話、數(shù)字媒體技術、平面電視、便攜式數(shù)字產(chǎn)品等電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展，人們對音頻功率放大器的要求更加趨向于高效、節(jié)能和小型化。因為移動設備受電池容量、散熱、體積的限制，對音頻功率放大器要求高效、節(jié)能、發(fā)熱量少、體積小、便于集成。傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器雖然具有很高的保真度，但是卻存在功耗高、效率低等致命缺點，而且發(fā)熱量大，

5、不易解決散熱問題。而d類放大器由于工作在開關狀態(tài)，作為控制元件的晶體管本身消耗功率較低，所以功放的效率很高。與傳統(tǒng)的ab類音頻功率放大器相比，數(shù)字d類音頻功放最大的優(yōu)勢在于具有高效率，實際轉換效率能達到80以上，理論轉換效率可以達到100%。因此能極大地降低能源損耗，減小放大器體積。在這個能源節(jié)約的時代，憑借其高效率、低功耗的特點，數(shù)字d類音頻功放正逐漸取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器，并越來越受到人們的重視。本文論述了各種音頻功率放大器的工作原理以及各自的性能特點，重點闡述了d類音頻功率放大器的工作原理和脈寬調制工作原理，并在此基礎上設計一款大功率輸出、低功耗數(shù)字音頻d類功率放大器。關鍵詞：音頻

6、功率放大器；d類；脈寬調制abstractaudio power amplifier is an important part of pic(power integrated circuits)which is widely used in consumer electronic products，and china is the most important market of consumer products and the biggest world manufacture center of the consumer productswe launch a reach on audi

7、o power amplifierwith the continuous development of science and technology, especially the development of integrated circuit technology, high speed and high power devices have more and more, mobile phones, digital media technology, flat-screen tv, a portable electronic products such as digital produ

8、ct is portable to thin, rapid development, audio power amplifiers will tend to be highly effective, energy-saving and miniaturization. because mobile devices affected by the battery capacity, thermal, volume restrictions on audio power amplifier requires efficient, energy-saving, low calorific value

9、, small size, ease of integration.traditional analog audio power amplifier although with high fidelity, but there is a high power consumption, low efficiency and so fatal flaws, and gets very hot, not easy to solve. and class-d amplifiers due to work on or off, as control components of transistor it

10、self lower power consumption, power amplifier is very efficient. unlike traditional class ab audio power amplifiers, digital class d audio power amplifier's biggest advantage is that you have a high efficiency, the actual conversion efficiency can reach 80 percent, and theoretical conversion eff

11、iciency can reach up to 100%. so it can greatly reduce the energy consumption, reduce amplifier volume. in the energy-savings time, with its high efficiency, low power consumption characteristics of class d digital audio amplifier is gradually replacing traditional analog audio power amplifiers, and

12、 more and more attention. this article discusses the working principle of audio power amplifiers and their performance characteristics, focuses on the class d audio power amplifier of the working principle and principle of pulse width modulation, and on this basis, designs a high power output, low p

13、ower consumption class d digital audio amplifiers.key words：audio power amplifier；d class；pulse width modulation目 錄引言41 緒論51.1 課題背景51.2 國內外研究現(xiàn)狀62 音響的相關知識62.1 聲音的基本特性62.2 放大器的技術指標62.3 功率放大器的分類72.3.1a類功放72.3.2b類功放92.3.3ab類功放112.3.4c類功放132.3.5d類功放142.3.6e類功放142.3.7f類功放152.3.8功放小結153 d類功率放大器原理153.1 d類放大

14、器的特點153.2 d類功率放大器的性能指標173.3 傳統(tǒng)d類功率放大器的工作原理194 電路系統(tǒng)方案設計224.1 電路方案論證224.2 主要電路工作原理設計與分析244.2.1脈寬調制電路254.2.2前置放大器電路264.2.3開關放大電路274.2.4低通濾波電路284.2.5音量設置及顯示電路284.3 系統(tǒng)調試及測量315 結論32謝 辭33參考文獻34附 錄35引言隨著現(xiàn)代電子技術的不斷發(fā)展，集成電路被廣泛應用于各類電子電路中。隨著近十幾年來半導體技術的進步，功率放大電路也得到了飛速的發(fā)展和應用。音頻功率放大電路是原理上最為基本、應用上最為廣泛的功率放大電路。目前大部分音響系

15、統(tǒng)中的功放都是模擬類型，傳統(tǒng)的模擬功放按放大器的工作狀態(tài)可分為：a類、b類、ab類等形式。a類、ab類功放是音響系統(tǒng)中最為常用的功放。傳統(tǒng)類音頻放大器的一個共同缺點是效率很低，a類音頻放大器的理論效率是25，實際效率大約為15-20；b類音頻放大器的理論最大效率是78.5；ab類音頻放大器的理論效率75，實際效率在50-70之間。無論a類，b類還是ab類音頻功率放大器，當它們的輸出功率小于額定輸出功率時，效率就會明顯降低，播放動態(tài)的語言、音樂時平均工作效率只有30左右。音頻功率放大器的效率低就意味著工作時有相當多的電能轉化成熱能，也就是說，這些類型的音頻功率放大器要有足夠大的散熱器。在半導體設

16、計潮流走向輕薄短小之際，不僅半導體組件本身的封裝要小，整個模塊的尺寸也變成決定系統(tǒng)客戶接受與否的關鍵規(guī)格。全球音視頻領域的數(shù)字化浪潮以及人們對音視頻設備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快研究開發(fā)高效、節(jié)能、易于與數(shù)字化設備接口的音頻功率放大器。d類數(shù)字音頻放大器就是在這樣的背景下興起的。d類數(shù)字音頻功率放大器是一種將輸入模擬音頻信號或pcm(pulse code modulation，脈沖編碼調制)數(shù)字信息變換成pwm(脈沖寬度調制)或pdm(脈沖密度調制)的脈沖信號，然后用pwm或pdm的脈沖信號去控制大功率開關器件通斷音頻功率放大器，也稱為開關放大器。由于其開關管工作于開關狀態(tài)，因此具有高效率、

17、低功耗等優(yōu)點。目前，d類音頻功率放大器在移動電話、平面電視、lcd顯示器以及各種以電池供電的便攜式游戲設備等消費類電子產(chǎn)品中已獲得廣泛的應用。在手機、pda、mp3player等應用中，以d類取代ab類放大器的趨勢便已相當明顯。數(shù)字音頻功放的概念早在20世紀60年代已被提出，但由于當時技術條件的限制，進展一直較慢。1983年，mbsandier等學者提出了d類放大的pcm數(shù)字音頻功放的基本結構，主要技術要點是如何把pcm信號變成pwm。1999年意大利powersoft公司推出了數(shù)字音頻功放的商業(yè)產(chǎn)品，從此，第4代音頻功率放大器一數(shù)字音頻功率放大器進入了工程應用領域，并獲得了世界同行的廣泛認可

18、，市場日益擴大，數(shù)字音頻功率放大器已經(jīng)成為近年來的研究熱點之一。1 緒論1.1 課題背景隨著半導體及微電子制造技術的不斷發(fā)展，高速、大功率器件已越來越多，電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展，人們對音頻功率放大器的要求更加趨向于高效、節(jié)能和小型化。因為移動設備受電池容量、散熱、體積的限制，對音頻功率放大器要求高效、節(jié)能、發(fā)熱量少、體積小、便于集成。普通功放發(fā)熱量大，不易解決散熱問題。而d類放大器由于工作在開關狀態(tài)，作為控制元件的晶體管本身消耗功率較低，功放的效率就高，可達到90以上，因此能極大地降低能源損耗，減小放大器體積。所以d類音頻功率放大器越來越受到人們的重視。高效率d類音頻放大器正越來

19、越多地被用在移動電話、智能電話、pda及其他類似便攜式應用中，以取代ab類放大器。采用d類放大器可延長電池供電終端產(chǎn)品的工作時間，并產(chǎn)生更少的熱量，從而解決設備的熱設計問題。在手機、dvd播放機、筆記本電腦及游戲機等便攜式設備中集成音頻，已經(jīng)發(fā)展到這樣一個程度，即設計人員正面臨著如下考驗：一方面需要將mp3及流媒體等越來越多的特性集成到上述終端設備中，另一方面又必須保持或減少整體功率預算。這導致采用很多新的產(chǎn)品技術，例如采用d類音頻功率放大器。這些放大器可使設計人員節(jié)省電池電量，因為d類放大器比傳統(tǒng)ab類(或線性)放大器具有更高的效率。近年來國際上加緊了對d類音頻功率放大器的研究與開發(fā)，并取得

20、了一定進展，這一技術一經(jīng)問世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點，引起了科研、教學、電子、商業(yè)界的特別關注。不久的將來，d類音頻功率放大器必將取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器。d類功率放大器的顯著特點是其輸出級的工作狀態(tài)不是完全導通，就是完全截止，輸出器件功耗大大降低。d類功率放大器的輸出級只是瞬間通過一下線性區(qū)域，而大部分時間不是停留在飽和區(qū)就是截止區(qū)，上管飽和則下管截止，或者相反。輸出信號比輸入信號變得更正或者更負，也就是輸入信號被大大地放大了。在常規(guī)的晶體管放大器中，輸出級上的晶體管需要提供時刻連續(xù)的輸出電流。音響系統(tǒng)可以采用的多種實現(xiàn)形式包括a類、ab類和b類等，與d類功率放大器相比，

21、這些電路中即使是效率最高的線性輸出級，其功率的耗散也很大。這一差異反襯出，d類功率放大器在許多應用方面具有顯著的優(yōu)勢，因為其較小的功率耗散意味著更低的發(fā)熱量、電路板空間及成本的節(jié)省和便攜式系統(tǒng)的電池工作時間的延長等。早些時候晶體管、集成電路的開關特性差，不能滿足d類音頻功率放大器的技術要求，因此對d類音頻功率放大器的研究開發(fā)有相當?shù)睦щy，研究開發(fā)僅停留在理論上。隨著金屬氧化物半導體場效應管(mosfet)的出現(xiàn)，其開關特性很好，工作效率高，開關速度快，管壓降小，功耗低，適合用于d類音頻功率放大器的研究開發(fā)。近幾年，工業(yè)控制上快速低電壓控制大電流的mosfet也已用得很普遍，該管開關特性、導通飽

22、和壓降和截止漏電流特性都大大改善，應用到音頻開關放大器上，能大大提高其可靠性和保真度。故d類放大器在便攜式設備上的應用具有很大的優(yōu)勢，受到許多開發(fā)商的青睞。1.2 國內外研究現(xiàn)狀有關d類功放的理論提出已有近半個世紀。在1970年，mosfet出現(xiàn)后才投入實際性開發(fā)。早期的主要缺點是失真度高，后來在控制芯片和功率器件模塊化后性能有所提高，才得以投放市場。全球音頻領域數(shù)字化的浪潮以及人們對音頻設備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快研究開發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器。它應該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字設備相連接的特點。d類音頻功率放大器符合上述要求。歷史上出現(xiàn)過三代d類放大器設計：第一代是由托卡

23、塔設計的tactmillennium，證實了d類放大器的概念，但是該技術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。第二代d類放大器把一個用于模擬源信號的pwm(脈沖寬度調制)信號和一個集成的輸出級以及片外濾波器組合在一起。這些放大器需要源選擇，音量，平衡和音調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。但是首先這代放大器變得價格可以承受，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用。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已有所改善，他們在音質、封裝、性能、價格和核心技術方面都已取得重大改進。為了生成精確的音頻，輸入晶體管

24、需要在動態(tài)范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助精確地實現(xiàn)準確的功率分配。通過采用一個簡單但功能強大的內部控制邏輯系統(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。最后還不能忽視新的架構技術。2 音響的相關知識 2.1 聲音的基本特性音量：它與聲波的物理量“振幅"有關，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。音調：是人耳對聲音調子高低的主觀感覺，聲調高低與聲音的物理量“頻率"對應。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，

25、人耳對3k左右的聲音最敏感。音色：又叫音品和音質，他是由聲音的波形決定的，電子管功放的偶次諧波多，奇次諧波少，聲音柔美，甜潤，晶體管功放奇次諧波多，聲音冷艷，清麗。2.2 放大器的技術指標（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：。為負載兩端的最大不失真電壓，為額定負載阻抗。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。功率放大器的輸出端接額定負載電阻(代替揚聲器)，輸入端接，逐漸增大輸入電壓，直到的波形剛好不出現(xiàn)諧波失真(r<1)，此時對應的輸出電壓為最大輸出電壓。測量后應迅速減小，以免損壞功率放大器。（2）頻率響應放大器的電壓

26、增益對于中音頻(1khz)的電壓增益下降3db時所對應的低音音頻和高音音頻稱為放大器的頻率響應。測量條件如下：調節(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的輸出電壓。（3）輸入靈敏度使音響放大器輸入額定功率時所需要的輸入電壓(有效值)稱為靈敏度。（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。測量：使輸入端對地短路，音量電位器為最大值，用示波器觀察輸出負載的電壓波形，用交流表來測量其有效值。2.3 功率放大器的分類2.3.1a類功放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

27、信號的整個周期內電流連續(xù)地流過所有輸出器件，工作期間不產(chǎn)生開關失真和交越失真，處于良好的線性工作狀態(tài)。但電路效率較低，功率輸出管的發(fā)熱量很大，電路的安全性和可靠性設計存在問題。在理想情況下，a類放大電路的效率最高只能達到50。當然，這類放大器只要偏置和動態(tài)范圍控制得當，僅從失真的角度來看，可認為它是一種優(yōu)質的線性放大器，具有良好的聲音表現(xiàn)能力。a類放大器結構可稱為壓控電流源模型(vccs：voltage controlled current source)，本質上是一個單獨的源極跟隨器。簡化電路圖如圖2-1所示。圖2-1 a類放大器原理圖a類放大器的工作偏置點如圖2-2所示，在一個完整的信號周

28、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=180°(在一個信號周期內，導通角度的一半定義為導通角)。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。輸出負載的平均功率為：電源輸入功率為：工作效率為：圖2-2 a類放大器的固定偏置點由上式可見，當且時，a類放大器具有最大工作效率，為25。由于a類放大器效率較低，在實際應用中，當輸入信號功率大于1w時，一般不采用a類放大器。a類放大器的優(yōu)點是線性度最好，失真最小。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

29、流電在最大信號情況下流入負載。當無信號時，兩個晶體管各流通等量的電流，因此在輸出中心點上沒有不平衡的電流或電壓，故無電流輸入揚聲器。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。a類功放的工作方式具有最佳的線性度，每個輸出晶體管均放大信號全波，完全不存在交越失真(switching distortion)，即使不使用負反饋，它的開環(huán)失真仍十分低，因此被稱為聲音最理想的放大線路設計。但這種設計有利有弊，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，電能全部轉為高熱量。當信號電平增加時，有些

30、功率可進入負載，但許多仍轉變?yōu)闊崃?。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，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。a類功放發(fā)熱量驚人，為了有效處理散熱問題，a類功放必須采用大型散熱器。因為它的效率低，供電器一定要能提供充足的電流。一部25w的a類功放供電器的能力至少夠100瓦ab類功放使用。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。一般而言，a類功放的售價約為同等功率ab類功放的兩倍或更多。a類放大器的主要特點是：放大器的工作點q設定在負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內均導通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作

31、在特性曲線的線性范圍內，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調試方便。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。由于效率比較低，現(xiàn)在設計基本上不再使用。2.3.2b類功放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。在沒有信號輸入時，功率損失為零。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785。其簡化電路如圖2-3所示。圖2-3 b類放大器

32、原理圖b類放大器是一種互補式輸出結構，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=90°，其工作偏置點如圖2-4所示。設輸出信號為，可得輸出負載的平均功率為：電源輸入功率為：圖2-4 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。b類放大器拓撲結構沒有dc偏置電流，所以功耗大大減少。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。由于只有信號電流流過晶體管，因而減少了輸出級功耗。b類功放的工作方式是當無信號輸入

33、時，輸出晶體管不導電，所以不消耗功率。當有信號時，每對輸出管各放大一半波形，彼此一開一關輪流工作完成一個全波放大，在兩個輸出晶體管輪換工作時便發(fā)生交越失真，因此造成非線性。但是b類放大器電路的音質較差，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。b類功放的效率平均約為75，產(chǎn)生的熱量較a類功放低，容許使用較小的散熱器。2.3.3ab類功放與前兩類功放相比，ab類功放可以說是在性能上的妥協(xié)。ab類放大器是a類放大器和b類放大器的組合折衷，它也使用dc偏置電流，但它遠小于單純的a類放大器。小的dc偏置電流足

34、以防止交越失真，從而能提供良好的音質。其功耗介于a類放大器和b類放大器之間，但通常更接近于b類放大器。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90°到180°之間。大部分時間只有一個晶體管工作，在零交越點時，兩個晶體管都工作。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。圖2-5 ab類放大器原理圖圖2-6 ab類放大器的固定偏置點如圖2-5所示，ab類放大器通過兩個偏置電壓來避免交越失真。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用。工作偏置點如圖2-6所示，當輸入信號為零時，由于此時兩個晶體管仍然處于導通狀態(tài)，因此每一個晶

35、體管的功率損耗均大于b類放大器，即ab類放大器的最大工作效率小于b類放大器，但大于a類放大器。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。遺憾的是，即使是精心設計的ab類放大器也有很大的功耗，因為其中等范圍的輸出電壓通常遠離正電源或負電源。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。ab類功放通常有兩個偏壓，在無信號時也有少量電流通過輸出晶體管。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為b類工作模式以獲得較高的效率。普通機10瓦的ab類功放大約在5瓦以內用a類工作，由于聆聽音樂時所需要的功率只有幾瓦，因此

36、ab類功放在大部分時間是用a類功放工作模式，只有在出現(xiàn)音樂瞬態(tài)強音時才轉為b類。這種設計可以獲得優(yōu)良的音質并提高效率減少熱量，是一種頗為合乎邏輯的設計。有些ab類功放將偏置電流調得很高，令其在更寬的功率范圍內以a類工作，使聲音接近純a類機，但產(chǎn)生的熱量也相對增加。2.3.4c類功放c類功放的原理圖如圖2-7所示，是負載，電感l(wèi)和電容c是匹配網(wǎng)絡，它們與負載共同組成并聯(lián)諧振回路。通過調節(jié)電容c，使回路諧振在輸入信號頻率上。圖2-7 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導通。因此，漏極電流是由周期性的一串脈沖構成的。當驅動信號足夠強時，晶體管會進入飽和導通狀態(tài)，輸出

37、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整導通角，來獲得所需的諧波成分。c類功放的實際效率可以達到60-80。其工作偏置點如圖2-8所示。圖2-8 c類放大器的固定偏置點2.3.5d類功放通過控制開關單元的on/off來驅動揚聲器的放大器稱為d類放大器。數(shù)字功率放大器分為兩種類型。第一類的數(shù)字式功率放大器是在同一機箱內裝以數(shù)字/模擬轉換器、音量控制電路以及普通的模擬功率放大器。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

38、，即由其數(shù)字/模擬轉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/模擬轉換器精度所限，音質還不夠完美。這類功率放大器稱為準數(shù)字放大器或數(shù)控放大器。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。這種放大器直接從數(shù)字音頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)功率放大而不需要進行模擬轉換，這樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或d類放大器。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。當輸出晶體管關閉時，全部電源供應電壓即出現(xiàn)在晶體管上，但沒有電流，因此也不消耗功率，故理論上的效率為百分之百。d類功放最大的優(yōu)

39、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。音頻功率放大器的用途是在發(fā)聲輸出元件上復現(xiàn)輸入音頻信號，提供所需要的音量和功率水平一保證復現(xiàn)的忠實性、高效率以及低失真度。在這一任務面前，d類放大器表現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢。2.3.6e類功放采用晶體管作為開關有可能提供大為改善的效率，但由于現(xiàn)實開關的不完全理想使得在實際中實現(xiàn)這一可能性并不總是那么容易。相關的功耗將使效率降低。為了防止總的損耗，開關相對于工作頻率必須非常快。當載波頻率很高時，滿足這一要求的困難將會更大。e類放大器采用高階電抗網(wǎng)絡提供足夠的自由度來改變開關電壓波形，使它在開

40、關導通時的值和斜率均為零，從而降低了開關損耗。但它對于關斷過渡沒有任何作用，而關斷過渡的邊沿常常是更成問題的。并且e類放大器具有很差的歸一化功率傳遞能力，因此盡管這一類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)量的功率傳送到負載。2.3.7f類功放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)，減小開關的損耗，提高功率放大器的效率。2.3.8功放小結偏置電壓、輸入信號驅動方式和輸出網(wǎng)絡共同決定了功率放大器的類型。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

41、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。對于大輸入驅動信號，器件工作在開關狀態(tài)下，其高效率以線性度為代價，如d類、e類和f類功率放大器。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，同時保持了線性調制的可能性；d類功率放大器提供的歸一化功率傳遞能力近似于0.16，但由于開關速度不是無窮大，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。c

42、類放大器以線性度為代價可以達到很高的效率，可應用在恒包絡調制的射頻系統(tǒng)中。各類功率放大器的主要性能指標如表2-1所示。表2-1 各類放大器性能比較放大器種類保真度最大效率模擬a極好25%ab好75%b一般78.5%開關d不好100%e不好-f不好-3 d類功率放大器原理3.1 d類放大器的特點(1)高效率。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。而d類放大器的效率可達到80-90，不僅不浪費能量，有效地利用電源，還能得到較大的功率輸出。(2)低發(fā)熱。以前的高發(fā)熱模擬放大器，封裝大，需要大的散熱板，因此需要較大的空間。而d類放大器發(fā)熱少，能作小型封裝。同時，不用散熱板，從而能

43、節(jié)省空間。(3)低消耗電力。d類放大器效率高發(fā)熱少，能減少不必要的功率消耗。在使用電池和干電池供電的應用中，可保持長時間持續(xù)供電。因為當輸出晶體管在不導通時具有零電流，并且在導通時具有很低的vds，因而產(chǎn)生較小的功耗idsvds。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向負載提供一個固定量的功率。d類放大器產(chǎn)生一個可使輸出電壓在電源軌之間切換的pwm信號，從而能在向負載提供驅動電流時僅在輸出晶體管上產(chǎn)生很小的壓降。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”態(tài)漏-源電阻，即關斷電阻)。圖3-1 d類放大器簡化h橋如圖3-1所

44、示，電流從電源通過第一個狀態(tài)為“開”的mosfet，再流過負載，最后流過后一個狀態(tài)為“開”的mosfet。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。分壓電路由,及輸出負載或揚聲器組成，mosfet的極小，因此它上面幾乎沒有什么壓降；相反，“關”態(tài)mosfet的值卻很大，因此可忽略通過它們的電流。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。由于d類音頻功率放大器只工作在“0、l”狀態(tài)，其功率開關器件要么導通要么截止，不在“放大區(qū)”停留，因此功耗極小、效率極高，效率高于96。所以d類音頻功率放大器是高效、節(jié)能、數(shù)

45、字化的音頻功率放大器。d類放大器與開關模式電源的工作方式相似，其中輸出mosfet要么是完全啟動(飽和)，要么是完全關閉(切斷)的。因而可以減小晶體管的功率損耗，增加放大器的效率。但在開關時間和非開關時間中總會有一定的功率損失(開關損耗和傳導損耗)。出現(xiàn)在開關時間內的損耗是由于mosfet的上升時間和下降時間大于零。出現(xiàn)這種情況有幾個原因。第一，輸出晶體管的開關并非即時完成。從漏極到源極的通道需要一定的形成時間。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。在非開關時間中的功耗是由于每個mosfet的和晶體管中的電流導致的。但總體而言，d類放大器的功率損耗是最小的

46、，正是由于該類器件的開關特性，使放大器實現(xiàn)了高得多的效率。d類功放的功率損耗(簡稱功耗)主要由兩部分組成：開關損耗和發(fā)熱損耗。其中開關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引起的，其值等于電流平方和通態(tài)電阻的乘積。在電源電壓為額定值時，d類功放的效率高達80-90，對于語言和音樂信號，其實用效率為65-80，約等于ab類的2倍。3.2 d類功率放大器的性能指標音頻功率放大器的三個關鍵指標一總諧波失真(thd)、信噪比snr(signal noise ratio)和功率效率，使d類技術相對于模擬技術具有無可爭議的優(yōu)勢。(1)功率效率在輸入信號的作用下，

47、直流電源提供的直流功率中，一部分被轉換為輸出信號功率，其余部分將消耗在功率放大器中，形成功率放大器的損耗。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，相應地就越小，可選用pcm小的功率管，體積小的散熱器。由此可見，在輸出功率一定的條件下，提高效率就意味著電源供給功率和放大器損耗功率下降。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。(2)失真失真是指功放的聲頻信號波形發(fā)生了不應有的變化。失真有諧波失真、互調失真、交叉失真、削波失真等。諧波失真：諧波失真是由功率放大器中的非線性元件引起的，這種非線性會使聲頻信號產(chǎn)生許多新的諧波成分。其失真大小是以輸出信號中

48、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?；フ{失真：當功放同時輸入兩種或兩種以上頻率的信號時，由于放大器的非線性，在輸出端會產(chǎn)生各頻率以及諧波頻率之間的和頻及差頻信號，這些新增加的頻率成分構成非線性失真。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，它也是造成互調失真的原因之一。削波失真：是功放管飽和時，信號被削波，輸出信號幅度不能進一步增大而引起的一種非線性失真。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。然而，實際的d類功放并不完美并且會有失真和噪音。其不完善是由于d類功放產(chǎn)生的失真開關波形造成的。原

49、因有：從調制器到開關級由于分辨率限制和時間抖動而導致的pwm信號中的非線性。加在柵極驅動上的時間誤差，如死區(qū)時間，開通關斷時間，上升下降時間。開關器件上的不必要特征，比如限定電阻，限定開關速度或晶體二極管特性。雜散參數(shù)導致過渡邊緣的振蕩。由于限定的輸出電阻和通過直流供電的能量的反作用而引起電源電壓波動。輸出lpf中的非線性。一般來講，在柵極信號中的開關時間誤差是導致非線性的主要原因。特別是死區(qū)時間嚴重影響了d類功放的線性度。幾十納秒少量的死區(qū)時間很容易產(chǎn)生1以上的thd。產(chǎn)生失真的機制包括調制技術或者調制器實現(xiàn)方案中的非線性以及為了防止直通(shoot-through)電流問題而在輸出級引入的

50、“死區(qū)”(dead time)。關于音頻信號強度的信息通常是通過d類調制器輸出脈沖的寬度來編碼的。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。為了最大限度減小失真，避免直通而引入的死區(qū)時間應該盡可能縮短。其它的失真源包括輸出脈沖的上升和下降時間的不匹配、輸出晶體管柵極驅動電路的定時特性的不匹配以及l(fā)c低通濾波器的元件的非線性。在電源波動抑制能力方面，電源噪聲幾乎可以在受到很小的抑制的情況下，直接耦合到揚聲器上。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。濾波器可以抑制高頻噪聲

51、，但可以通過所有音頻分量，包括噪聲。d類放大器輸出的高頻分量值得認真考慮。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。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。d類放大器調制方案決定傳導emi和輻射eml分量的基線譜。但是，可以使用一些板級的設計方法減少d類放大器發(fā)射的emi，而不管其基線譜如何。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。另一個要注意的地方是當輸出級晶體管柵極電容開關時會產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。通常這些電荷來自儲能電容，從而形成一個包含兩個電容的電流環(huán)路。通過將

52、環(huán)路面積減至最小可降低環(huán)路中瞬態(tài)emi的影響，意味著儲能電容應盡可能靠近晶體管對它充電。有時，插入與放大器電源串聯(lián)的rf扼流線圈很有幫助。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，而不會沿電源線長距離傳導。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。當非重疊時間結束時，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪颉Ｔ诙O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。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。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)

53、，從而轉移電流并且防止寄生二極管一直導通。這很有幫助，因為schottky二極管的金屬半導體結本質上不受反向恢復效應的影響。由于d類的工作模式不同于ab類，會產(chǎn)生某些高頻諧波。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類技術必須面臨的一大挑戰(zhàn)一電磁干擾。與大多數(shù)開關應用一樣，在d類放大器設計中，工程師必須注意emi性能。主要的emi源來自mosfet。體二極管自頂部流向底部的反向恢復充電。在插入以阻止電流直通的死區(qū)時間內，體二極管由輸出lpf中的電感電流打開。在下個時段，當mosfet的另一邊開始打開時，除非存儲的少量載流子完全放電，否則體二

54、極管將一直處于導通狀態(tài)。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。因此，對可靠的設計和降低emi來說，pcb的布局都是至關重要的。同時在技術上對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。（3）信噪比為了避免放大器背景噪聲能造成人耳可以聽到的咝咝聲，在便攜式應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計的放大器的snr應分別為100db和110db以上。多種類型的放大器實現(xiàn)方案都可以做到這一點，但在放大器設計中應該追蹤各個噪聲源，以確保總的snr達到令

55、人滿意的程度。線性功放增益不受供電電壓影響而變化，然而d類功放的增益是和供電電壓成比例的。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。在d類功放中普遍用反饋來補償供電電壓變化。幸運的是，這些問題有兩種解決方案。如果音響設計者使用帶很高環(huán)路增益的反饋的話(正如許多線性放大器設計)，會大大提高電路性能。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。lc濾波器的非線性可以通過將揚聲器也納入反饋環(huán)路的方法來衰減。在設計合理的閉環(huán)d類放大器中，設計者可以獲得高保真級的音響品質：psr>60db，thd<0.01。3.3 傳統(tǒng)

56、d類功率放大器的工作原理傳統(tǒng)的d類放大器采用pwm的工作方式，為脈寬調制型放大器。脈沖調制型放大器中有一個矩形脈沖振蕩器，將所需放大的音頻信號去調制矩形脈沖振蕩器，使它產(chǎn)生的矩形脈沖的脈寬隨音頻信號的幅度而變化。然后用晶體管開關放大器來放大經(jīng)調制的矩形脈沖。晶體管開關工作的實質是將電源的功率轉換給負載。在輸出端經(jīng)過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，再將其耦合至負載揚聲器。脈沖寬度調制型放大器的主要特點是效率高，可達90以上；晶體管功耗極小，可用中小功率管制作大功率放大器。脈沖放大器的偏置電路簡單，輸出帶載能力強。但諧波失真較大，會輻射脈沖干擾。由于晶體管擅長處理這種開關脈

57、沖，遠比其處理復雜多變的音頻信號效率更佳，所以脈沖寬度調制型放大器多采用晶體管電路結構。圖3-2是d類功率放大器的框圖，d類音頻功率放大器在工作方式上與產(chǎn)生控制電壓信號的開關電源相似。圖3-2 d類功率放大器框圖圖3-3 一般d類放大器結構圖圖3-3是一般d類功放的結構圖，它主要由pwm波產(chǎn)生電路、功率放大電路、濾波電路和負反饋電路四部分組成。圖3-4表示了pwm波形隨輸入信號的變化而變化。圖3-4 d類放大器波形圖隨著脈沖調制放大電路技術的不斷發(fā)展，數(shù)字放大器的優(yōu)點日漸突出，因而越來越受到人們的關注。脈沖調制型放大器的基本工作程序與原理為：（1）把交流電轉換為直流電。（2）通過高速轉換開關精

58、確控制系統(tǒng)，將模擬音頻信號轉換成pwm脈沖寬度調制信號，即一種高電壓高頻率的方波。轉換開關的工作頻率可以設定為數(shù)十千赫茲至數(shù)百千赫茲；方波的寬度則隨輸入模擬信號的大小而改變。（3）pwm信號即高頻方波最后通過低通濾波器把超高頻成分濾除，形成調制的音頻信號，最后用來驅動揚聲器。此濾波器的截止頻率決定放大器頻寬響應的高頻界限。此高頻界限隨著輸出負載的不同而不同，有些為30khz，有些則達到40khz左右。采用脈寬調制后，音頻信號便成為一系列用“0”和“l(fā)”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。將這些脈寬調制的數(shù)據(jù)流去推動功率放大器的常規(guī)輸出晶體管。由于受到脈寬調制數(shù)據(jù)流的作用，輸出晶體管將迅速地時而飽和導通