音頻D類放大器的研究與設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、音頻D類放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要為了解決傳統(tǒng)的音頻功放線性放大器的一些不足，如體積較大，效率低下等，D類功率放大器應(yīng)運(yùn)而生并得到較快發(fā)展。D類功放具有非常高的轉(zhuǎn)換效率，加之體積較小，易集成化等優(yōu)點(diǎn)，已成為便捷式音頻市場(chǎng)的新寵兒。然而，D類放大器其自身并不完美，比如音質(zhì)要求高，體積小，電池壽命短，低成本要求等，要使得其市場(chǎng)認(rèn)可度進(jìn)一步提高，這些問(wèn)題必須考慮。本課題就是針對(duì)傳統(tǒng)放大器的缺陷，通過(guò)比較對(duì)比引出了未來(lái)應(yīng)用前景光明的D類音頻放大器，通過(guò)對(duì)D類放大器的原理介紹與單元模塊的設(shè)計(jì)，加深了讀者對(duì)音頻D類放大的認(rèn)識(shí)，也在此過(guò)程之中讓大家了解了D類放大器的問(wèn)題所在，本文對(duì)改進(jìn)的問(wèn)題提出了一些建設(shè)性的建

2、議，希望這種設(shè)計(jì)帶給讀者一定關(guān)于D類放大器應(yīng)用方面的啟發(fā)。關(guān)鍵詞：音頻D類功率放大器；PWM脈寬調(diào)制；BTL橋接負(fù)載；EMI電磁干擾Class D Audio AmplifierAbstractClass D amplifiers improve upon the traditional amplifier design by amplifying a digital signal instead of an analog signal for drastically superior efficiency. These amplifiers, because of their efficie

3、ncy specifications, are often used in portable applications where small size and low power consumption are important for portability and battery use. This paper introduced D class amplifier, summarized the problems of D class amplifier and proposed some constructive ideas to its improvement, hoping

4、to bring some inspirations about the specific application of D class amplifier to the readers.Key words： Class D Audio Amplifier；PWM（ Pulse Width Modulation）； BTL（Bridge-Tied-load）； EMI（Electro-Magnetic Interference）目錄第一章引言11.1課題的背景11.2課題的目的和意義2第二章射頻功率放大器介紹22.1A類放大器（Class A Amplifier）32.2B類放大器(Class

5、 B Amplifier)32.3AB類放大器42.4D類放大器(Class D Amplifier)4第三章D類放大器的近期發(fā)展趨勢(shì)53.1D類放大器的歷史53.2音頻D類放大器的發(fā)展要求5降低系統(tǒng)成本5降低電磁干擾5改善音頻質(zhì)量5第四章本文的主要工作64.1D類放大器的基本結(jié)構(gòu)64.2PWM（脈寬調(diào)制）原理74.3三角波發(fā)生電路74.4比較器84.5驅(qū)動(dòng)方式：94.6BTL橋接負(fù)載94.7低通濾波器114.8以TPA3122芯片為核心的D類功放電路實(shí)現(xiàn)11第五章音頻D類放大器設(shè)計(jì)需要注意的問(wèn)題155.1輸出晶體管尺寸選擇155.2輸出級(jí)保護(hù)165.3信噪比（SNR）165.4失真原因165

6、.5電源抑制165.6LC濾波器的選擇165.7實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題17第六章總結(jié)176.1工作的總結(jié)、回顧176.2展望17參考文獻(xiàn)19致謝201引言1.1 課題的背景幾十年來(lái)在音頻領(lǐng)域中，A類、B類、AB類音頻功率放大器一直占據(jù)“統(tǒng)治”地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個(gè)過(guò)程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過(guò)程；電路組成從單管到推挽過(guò)程；電路形成從變壓器輸出到OTL、OCL、BTL形式過(guò)程。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點(diǎn)是效率太低。全球音視頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對(duì)音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快開(kāi)發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器，它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字化設(shè)備

7、相連接的特點(diǎn)。D類音頻功率放大器是PWM型功率放大器，它符合上述要求。近幾年來(lái)，國(guó)際上加緊了對(duì)D類音頻功率放大器的研究與開(kāi)發(fā)，并取得了一定的進(jìn)展，幾家著名的研究機(jī)構(gòu)及公司已經(jīng)試驗(yàn)性地向市場(chǎng)提供了D類音頻功率放大器評(píng)估模塊及技術(shù)。這一技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，引起了科研、教學(xué)、電子工業(yè)、商業(yè)界的特別關(guān)注，現(xiàn)在這一前沿的技術(shù)正迅猛發(fā)展，前景一片光明。在音響領(lǐng)域里人們一直堅(jiān)守著A類功放的陣地。認(rèn)為A類功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。但是，A類功放的低效率和高損耗卻是它無(wú)法克服的先天頑疾。B類功放雖然效率提高很多，但實(shí)際效率僅為50%左右，在小型便攜式音響設(shè)備如汽車(chē)

8、功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大功率功放場(chǎng)合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，效率極高的D類功放，因其符合綠色革命的潮流正受著各方面的重視。由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，原來(lái)用分立元件制作的很復(fù)雜的調(diào)制電路，現(xiàn)在無(wú)論在技術(shù)上還是在價(jià)格上均已不成問(wèn)題。而且近年來(lái)數(shù)字音響技術(shù)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(jìn)一步顯示出D類功放的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。提到功放的設(shè)計(jì)人們立即會(huì)想到要解決兩個(gè)問(wèn)題一是保真度二是效率模擬功放利用晶體管的線性關(guān)系保真度較高因此在目前的音響系統(tǒng)里模擬功放仍占有主導(dǎo)地位模擬功放的不足是效率低能量消耗大散熱要求高一般地A 類功放的效率在50%以下即使是改進(jìn)的B類或AB類其效率也

9、在75%以下而D類功放效率高體積小重量輕輸出功率大的數(shù)字音頻功放在20 世紀(jì)90年代末逐漸被行家們所重視近幾年發(fā)展迅速各種專用的集成芯片通用音響產(chǎn)品不斷推陳出新不夠理想的音質(zhì)得到極大改善且數(shù)字音頻功放的應(yīng)用有利于實(shí)現(xiàn)音響系統(tǒng)的全數(shù)字化。D類功放是放大元件處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無(wú)信號(hào)輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開(kāi)關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想晶體管因?yàn)闆](méi)有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會(huì)有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號(hào)輸出的大小無(wú)關(guān)，所以特別有利于超大功率的場(chǎng)合。在理想情況下，D類

10、功放的效率為100%，B類功放的效率為78.5%，A類功放的效率才50%或25%（按負(fù)載方式而定）。 D類功放實(shí)際上只具有開(kāi)關(guān)功能，早期僅用于繼電器和電機(jī)等執(zhí)行元件的開(kāi)關(guān)控制電路中。然而，開(kāi)關(guān)功能（也就是產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的功能）隨著數(shù)字音頻技術(shù)研究的不斷深入，用于音頻放大的道路卻日益暢通。20世紀(jì)60年代，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始研究D類功放用于音頻的放大技術(shù)，70年代Bose公司就開(kāi)始生產(chǎn)D類汽車(chē)功放。一方面汽車(chē)用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無(wú)法放入有大散熱板結(jié)構(gòu)的功放，兩者都希望有D類這樣高效的放大器來(lái)放大音頻信號(hào)。其中關(guān)鍵的一步就是對(duì)音頻信號(hào)的調(diào)制。 現(xiàn)今，各種便攜式的電子產(chǎn)品成為電子設(shè)備的

11、一種重要的發(fā)展趨勢(shì)。手機(jī)、MP3、MP4以及數(shù)碼相機(jī)、便攜式DVD等。他們雖然在功能及應(yīng)用場(chǎng)合上有所差異，但至少有兩個(gè)共同點(diǎn)：第一，他們都具備音頻輸出，即使是數(shù)碼相機(jī)，現(xiàn)在也普遍支持音頻回放，這樣就需要有一個(gè)合適的音頻放大器；第二，便攜式設(shè)備很多情況下是靠電池供電，這就要求一個(gè)消耗盡可能低的硬件系統(tǒng)。而對(duì)于音頻放大器來(lái)說(shuō)，就需要其能夠在保持最低的失真情況下得到更高的效率。這就導(dǎo)致了D類音頻功率放大器在便攜式設(shè)備中的廣泛應(yīng)用。這些放大器可使設(shè)計(jì)人員節(jié)省電池電量，因?yàn)镈類放大器比傳統(tǒng)AB類(或線性)放大器具有更高的效率。D類放大器在理論上可以達(dá)到100%，由此帶來(lái)的附加好處是對(duì)散熱的要求大大降低，

12、有利于高功率密度的集成，不過(guò)D類功放有些“生不逢時(shí)”，由于它需要高速功率開(kāi)關(guān)器件，開(kāi)關(guān)放大方式不可避免的會(huì)有EMI問(wèn)題，還有一個(gè)原因是經(jīng)典的信號(hào)調(diào)制方式，依賴頻率和時(shí)基精度都足夠高的基準(zhǔn)比較信號(hào)，前者使D類放大器的高頻表現(xiàn)明顯低于低頻，后者高精度時(shí)基的成本成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。 課題的目的意義通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，達(dá)到使自己了解電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本方法，掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本步驟，利用大學(xué)期間所學(xué)的有關(guān)專業(yè)知識(shí)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，加強(qiáng)理論與實(shí)際的結(jié)合，強(qiáng)化自己綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，明確學(xué)習(xí)的目的：學(xué)習(xí)是為了更好的應(yīng)用。我對(duì)D類功率放大器的有關(guān)專業(yè)知識(shí)多停留在理論上，并且不能貫通理解，形不成系統(tǒng)。在我離開(kāi)學(xué)校前，使我對(duì)

13、所學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)有一個(gè)全面而貫通理解，并且具備較強(qiáng)的設(shè)計(jì)動(dòng)手能力。本課題正是基于以上思想所提出的，給我們提供了深入研究的空間，達(dá)到應(yīng)用所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。2射頻功率放大器介紹功率放大器，簡(jiǎn)稱“功放”。在很多情況下主設(shè)備的輸出功率難以負(fù)荷整個(gè)音響系統(tǒng)，這時(shí)需要在主設(shè)備和播放器之間增加功率放大器來(lái)補(bǔ)充所需的功率差額，而功放器在整個(gè)音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的關(guān)鍵作用，在某種程度上主宰著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。目前功放有如下幾個(gè)類型：2.1A類放大器（Class A Amplifier）A類放大器（也叫甲類放大器）的主要特點(diǎn)是：放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近

14、,晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)都導(dǎo)通，期間有很大的DC偏置電流流過(guò)（這是造成效率低下的主要原因）。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，A類放大器的優(yōu)點(diǎn)是可以提供優(yōu)良的音質(zhì)，電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便；但效率較低，（理論最大值僅有25） ，晶體管功耗大，且有較大的非線性失真。所以如今已經(jīng)被淘汰掉。圖2-1 A類放大器2.2B類放大器(Class B Amplifier) B類放大器（也叫乙類放大器）需要兩只晶體管，理論上兩只晶體管不會(huì)在同一時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。因?yàn)槊恐痪w管只工作半個(gè)周期，一只晶體管工作于輸入信號(hào)的正半周，另一只晶體管工作于輸入信號(hào)的負(fù)半周。在沒(méi)有輸入的情況下，所有

15、晶體管都處于截止?fàn)顟B(tài)，因而此時(shí)無(wú)輸出功率，其效率高于A類放大器，一般為50%。但由于晶體管需要一定的開(kāi)通時(shí)間，因此兩只晶體管在交替過(guò)程中在輸出端存在一個(gè)短暫的無(wú)輸出功率狀態(tài)。這個(gè)無(wú)功率區(qū)域稱為交越區(qū)(crossover region)，這就造成了較大的信號(hào)失真（圖2.3中），因此B類放大器也逐漸被設(shè)計(jì)者們所摒棄。 圖2.2 B類放大器圖2.32.3AB類放大器有鑒于A、B兩類放大器的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)者們提出了改良方案：AB類放大器（圖2.3左）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(yuǎn)小于單純的A類放大器。小的DC偏置電流足以防止交越失真（圖2.3右），從而能提供良好的音質(zhì)。

16、其功耗通常接近但小于B類放大器。但是，實(shí)際上即使是精心設(shè)計(jì)AB類放大器也有很大的功耗，因?yàn)槠渲械确秶妮敵鲭妷和ǔ＿h(yuǎn)離正電源或負(fù)電源。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。所以AB類放大器的效率約為50%。2.4D類放大器(Class D Amplifier)D類(數(shù)字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM脈沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開(kāi)關(guān)放大器。放大器由輸入信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開(kāi)關(guān)電路(半橋式和全橋式) 和低通濾波器(LC)等四部分組成.它利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電

17、路來(lái)放大音頻信號(hào)。我們可以通過(guò)表2.1再進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的比較：表 2.1A類放大器失真最小，靜點(diǎn)工作電流最大，效率最低B類放大器失真較大，靜點(diǎn)工作電流最小，效率較高AB類放大器失真中等，靜點(diǎn)工作電流中等，效率中等D類放大器失真很低，工作原理跟以上完全不同，效率很高顯而易見(jiàn)，D類放大器的優(yōu)點(diǎn)十分突出。3D類放大器的近期發(fā)展趨勢(shì)其實(shí)，D類放大器最初是有很多不足之處的，當(dāng)初誕生時(shí)，根本沒(méi)有辦法跟線性放大器相比，可是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)者們的不斷努力優(yōu)化、不斷的改進(jìn)之后，D類放大器的春天才算真的到來(lái)了。3.1D類放大器的歷史D類放大器首次提出于1958年，在過(guò)去的幾代產(chǎn)品中，已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，被極大地改善了其系

18、統(tǒng)的耐用性，并提高了音頻質(zhì)量，與傳統(tǒng)的AB類功放相比，D類放大器擁有幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：1. 具有很高的效率，通常能夠達(dá)到85%以上。2. 體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。3. 低失真，外圍元器件少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試。因此D類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式，所以本文主要討論的也是音頻D類放大器。3.2音頻D類放大器的發(fā)展要求D類放大器的效率很高，20瓦以下基本不用散熱器，降低了對(duì)電源輸出功率的要求。所以它在音頻放大器家族中很有潛力。然而，與傳統(tǒng)的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和電磁干擾（Electromagnetic Interference）方面的問(wèn)題。音頻D

19、類放大器的發(fā)展趨勢(shì)就是要解決這些問(wèn)題，主要包括：3.2.1降低系統(tǒng)成本為了將D類放大器的成本降到最低，一般在功率放大級(jí)采用半橋放大拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低復(fù)雜性和減少物料成本的目的。因?yàn)榘霕蚪Y(jié)構(gòu)輸出大約是全橋的一半，功率管和外部濾波器件的數(shù)量也就減少一半。然而，半橋放大器在輸出端也需要一個(gè)隔直電容，而且它對(duì)供電干線上的噪聲也很敏感。在啟動(dòng)時(shí)，隔直流電容必須先被充電到偏置點(diǎn)（高壓供電干線電壓的一半），否則就會(huì)在揚(yáng)聲器中產(chǎn)生很大的“噗”聲（開(kāi)機(jī)沖擊聲）。因此最新的D類放大器采用預(yù)充電電容使揚(yáng)聲器在啟動(dòng)時(shí)保持無(wú)聲。3.2.2降低電磁干擾在D類調(diào)制器中，通過(guò)將音頻信號(hào)與高頻固定頻率信號(hào)進(jìn)行比較，將比較的結(jié)

20、果在固定頻率的載波上進(jìn)行調(diào)制，將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)。形成的信號(hào)頻率是可變脈寬的固定載波頻率（通常在幾百kHz），然后由高壓功率MOSFET對(duì)這些PWM信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的PWM信號(hào)再通過(guò)低通濾波器去掉載頻，恢復(fù)出原始基帶音頻信號(hào)。但是這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致大量的電磁輻射。由于調(diào)制器采用固定頻率載波，因此將產(chǎn)生基載波的多次諧波輻射。而且，由于PWM信號(hào)自身的開(kāi)關(guān)特性，過(guò)沖/下沖和振鈴將產(chǎn)生固定比率的高頻（10-100兆赫茲）輻射。為了降低輻射， PWM調(diào)制器的發(fā)展趨勢(shì)是采用擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)。擴(kuò)展頻譜的原理是：數(shù)據(jù)基帶信號(hào)的頻譜被擴(kuò)展至幾倍幾十倍再被搬移至射頻發(fā)射出去。這一做法雖然犧牲了頻帶帶

21、寬，卻提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性。由于單位頻帶內(nèi)的功率降低，因此對(duì)其它電子設(shè)備的干擾也減小了。3.2.3改善音頻質(zhì)量作為音頻功放來(lái)說(shuō)，提高音頻質(zhì)量是永遠(yuǎn)的課題，所以要想穩(wěn)定占有市場(chǎng)，D類放大器就必須不斷改進(jìn)其音頻性能。目前，D類放大器的一個(gè)噪聲源是音頻采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)。而時(shí)鐘通常是由SOC（MPEG解碼器和DSP等）產(chǎn)生的，即使很小的抖動(dòng)也能迅速地影響到常規(guī)D類放大器的性能，因?yàn)橐纛l時(shí)鐘是與調(diào)制器的輸出時(shí)鐘關(guān)聯(lián)的。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是采用SRC（Sample Rate Convertor采樣率轉(zhuǎn)換器）技術(shù)。因?yàn)镾RC使用本地穩(wěn)定的時(shí)鐘源來(lái)同步數(shù)字音頻的時(shí)鐘，比方說(shuō)石英晶體振蕩器，所以

22、調(diào)制器的輸出抖動(dòng)實(shí)際上與其他音頻時(shí)鐘是獨(dú)立的、不相關(guān)的。SRC的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論輸入音頻的采樣率如何波動(dòng)，其輸出開(kāi)關(guān)比率都是固定的。當(dāng)音頻輸入源改變或輸入時(shí)鐘缺失時(shí)，SRC也通過(guò)消除可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲而改善了系統(tǒng)的耐用性。4音頻D類放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1D類放大器的基本結(jié)構(gòu)D類放大器將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM脈沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通/斷.放大器由輸入信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開(kāi)關(guān)電路(半橋式和全橋式) 和低通濾波器(LC)等四部分組成。圖4.1給出了D類放大器的原理簡(jiǎn)圖。圖4.1 D類放大器原理簡(jiǎn)圖4.2PWM（脈寬調(diào)制

23、）原理圖4.2 脈寬調(diào)制示意圖脈寬調(diào)制器由三角波發(fā)生電路和比較器兩部分組成，其工作過(guò)程可由上圖表示：即通過(guò)比較器實(shí)現(xiàn)三角波對(duì)正弦波的脈寬調(diào)制，獲得脈寬與輸入信號(hào)幅度成正比的調(diào)制信號(hào)。圖4.2是PWM調(diào)制的示意圖4.3三角波發(fā)生電路圖4.3 三角波發(fā)生電路（中）以及PWM調(diào)制電路（右）要實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制需要三角波發(fā)生電路，本設(shè)計(jì)采用NE5532和高速精密電壓比較器LM311。NE5532的較寬頻帶和高速轉(zhuǎn)換速率（擺率），能夠保證產(chǎn)生線性良好的三角波。選定載波頻率要考慮抽樣定理，同時(shí)還要考慮電路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)選擇150kHz的載波，使用四階Butterworth LC 濾波器，輸出端對(duì)載頻的衰減大于60

24、dB。 計(jì)算電路參數(shù)：把NE5532的5腳和LM311的3腳電位通過(guò)Rt1和Rt2的分壓設(shè)為2.5V，同時(shí)設(shè)輸出對(duì)稱三角波幅度1.5V。選定Rt5為68k，并忽略比較器高電平時(shí)在Rt6上的壓降，求解Rt4：得取Rt4=43 k。工作頻率的確定：要從兩方面著手：第一，作為載波的三角波工作頻率越高越有利于提高調(diào)制信號(hào)中的基波分量，而調(diào)制信號(hào)中基波分量的多少直接影響著功放效率；第二，器件電平轉(zhuǎn)換有時(shí)延，很高頻率的三角波也是難做到的。綜合考慮以上兩點(diǎn)，我們選定工作頻率f=150kHz,并設(shè)定RWt+Rt3=15 k,則電容C3計(jì)算過(guò)程如下：對(duì)電容的恒流充電或放電電流為則電容兩端電壓值為其中： T1=T

25、/2=1/2f。的最大值為3V，代入可得 取Rt3=6.8 k,CF=220pF， RWt選用200 k可調(diào)變阻器。便于調(diào)節(jié)發(fā)生三角波的頻率為150kHz。4.4比較器選用精密、高速比較器LM311（圖4.4），在單電源供電的情況下，由阻值相同的電阻Rp1和Rp2,Rp3和Rp4分壓提供2.5V的靜態(tài)電位，取Rp1=Rp2=68k，Rp3=Rp4=68k。由于三角波幅度為1.5V，要使功放不產(chǎn)生失真，音頻信號(hào)的幅度也不能大于1.5V，。圖4.4 PWM調(diào)制電路4.5驅(qū)動(dòng)方式：利用74HC14（反向器集成芯片）即可實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的反向，互補(bǔ)的兩路信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)推挽結(jié)構(gòu)，輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別是P

26、W1和PW2，送往開(kāi)關(guān)功率管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。將反向器并聯(lián)使用可以提供較大驅(qū)動(dòng)電流。圖4.5 驅(qū)動(dòng)電路4.6BTL橋接負(fù)載D 類放大器有很多會(huì)使用全橋輸出級(jí)。一個(gè)全橋使用兩個(gè)半橋輸出級(jí)，并以差分方式驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這種負(fù)載連接方式通常稱為橋接負(fù)載(Bridge-Tied-load)。全橋結(jié)構(gòu)是通過(guò)轉(zhuǎn)換負(fù)載的導(dǎo)通路徑來(lái)工作的。因此負(fù)載電流可以雙向流動(dòng)，無(wú)需負(fù)電源或隔直電容。圖 4.6 展示了傳統(tǒng)的、基于PWM的BTL型D類放大器輸出波形。在圖 4.6 中，各輸出波形彼此互補(bǔ)，從而在負(fù)載兩端產(chǎn)生一個(gè)差分 PWM 信號(hào)。與半橋式拓?fù)漕愃?，輸出端需要一個(gè)外部 LC 濾波器，用于提取低頻音頻信號(hào)并防直在負(fù)載上耗散

27、高頻能量。全橋式 D 類放大器除具有與 AB 類 BTL 放大器相同的優(yōu)點(diǎn)外，還具有高效特性。全橋式放大器還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，采用單電源供電時(shí)輸出端不需要隔直電容。半橋式放大器則不然，因?yàn)樗妮敵鰰?huì)在VDD與地之間擺動(dòng)，空閑時(shí)占空比為 50%。這表明它的輸出具有大概 VDD/2的直流偏移。，這個(gè)偏移在全橋式放大器中會(huì)出現(xiàn)在負(fù)載的兩側(cè)，輸出端的直流電流為零。全橋放大器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在相同的電源電壓下，它的輸出信號(hào)擺幅是半橋式放大器的 2 倍，因?yàn)樨?fù)載是差分驅(qū)動(dòng)的。在相同電源電壓下，它可提供的最大輸出功率理論上可以達(dá)到半橋式放大器的4倍。然而，全橋式 D 類放大器所需的 MOSFET 開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)也是半

28、橋式拓?fù)涞?倍。雖然我們一般認(rèn)為更多的開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生更多的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗，但是這僅對(duì)于大功率輸出的放大器(> 10W)是正確的，因?yàn)樗鼈冃枰叩妮敵鲭娏骱碗娫措妷骸０霕蚴椒糯笃鲬{借在這一點(diǎn)上的效率優(yōu)勢(shì)，常常在大功率應(yīng)用中被采用，可是D類放大器的主要應(yīng)用都集中在低功耗的產(chǎn)品上，所以全橋式的拓?fù)洳攀荄類功放的首選。全橋式放大器對(duì)于MOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)啟電壓小?？刹捎肐RF540和IRF9540 MOS管，它們的參數(shù)基本滿足上述要求?；パa(bǔ)PWM開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開(kāi)啟Q1g和Q4g或Q2g和Q3g,再分別經(jīng)過(guò)濾波器濾波后輸出功率放大信號(hào)。其中R1和R2的作用是加大電路中的阻

29、尼，防止導(dǎo)線的等效電感與柵極電容發(fā)生振蕩。R1和R2的具體選擇是通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較的方法完成的，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如下：RG的選擇測(cè)試數(shù)據(jù)（R11K,R2=5.1K，測(cè)試點(diǎn)為柵極）RG（歐） 柵極上升時(shí)間（us） 柵極下降時(shí)間（us）100 1.2 1.439.2 0.5 0.410 0.2 0.15RG選取10歐。頻率越高RG越小，電容越大RG越小。圖4.6 全橋式電路以及LC濾波器4.7低通濾波器采用四階Butterworth低通濾波器（圖4.6）。對(duì)低通濾波器的要求是上限頻率應(yīng)大于20kHz,在通頻帶內(nèi)特性平坦。利用multisim軟件進(jìn)行了仿真，設(shè)定的器件參數(shù)與圖中相同時(shí)，仿真結(jié)果如圖所示：通帶內(nèi)

30、較為平坦，保證了20kHz的上限頻率；100kHz、150kHz處分別下降26dB、40dB。 圖4.7 仿真結(jié)果4.8以TPA3122芯片為核心的D類功放電路實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)以TI的高性能D類功放TPA3122為核心。芯片是從TI申請(qǐng)的。我們有一對(duì)書(shū)桌小音箱，功率為10瓦，有低音高音單元。明顯LM386無(wú)法滿足要求，且音質(zhì)一般。而D類功放以其高效性及小占地面積而在如今的小型數(shù)碼設(shè)備及平板電視中應(yīng)用廣泛。因此想一試效果。TI的TPA3122功率15W×2,低失真（THD<=0.06%,Rl=8ohm。THD<=0.1%,Rl=4ohm），成為首選器件。D類功放推動(dòng)管工作在開(kāi)關(guān)狀

31、態(tài)，而利用導(dǎo)通電阻極小的MOS開(kāi)關(guān)管可進(jìn)一步提高效率。芯片中包含一個(gè)可產(chǎn)生三角波的振蕩器，然后是將輸入信號(hào)與此三角波經(jīng)一電壓比較器產(chǎn)生PWM波控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)斷，然后經(jīng)過(guò)低通濾波器推動(dòng)揚(yáng)聲器。電源電路：本電路使用兩片7815提高電源響應(yīng)速度，加入多個(gè)大容量電容濾波。變壓器功率40W，（偏小，為降低成本）。功放電路：其中輸入端加一雙聯(lián)電位器20K，GADIN0及GAIN1加跳線帽選接GND或通過(guò)一10K電阻到VCC，SD及MUTE CONTROL接法同上。電容選用CBB，獨(dú)石電容。濾波選用優(yōu)質(zhì)電解。濾波電路不變。電感選用黃環(huán)纏。元器件明細(xì)表：元器件名稱參數(shù)備注C10.68UFCBBC20.68UFC

32、BBC31UF獨(dú)石C41UFCBBC51UFCBBC61UFCBBC70.22UF獨(dú)石C80.22UF獨(dú)石R110K貼片R210K貼片R310K貼片R410K貼片L122UH黃環(huán)L222UH黃環(huán)功放圖片功放正面電源正面功放反面電源反面5音頻D類放大器設(shè)計(jì)需要注意的問(wèn)題通過(guò)對(duì)D類放大器的具體設(shè)計(jì)以及對(duì)市場(chǎng)的反潰調(diào)查，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)其很多方面的問(wèn)題，本文經(jīng)過(guò)整理，將問(wèn)題匯總?cè)缦拢?.1輸出晶體管尺寸選擇為了在較寬信號(hào)調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗，保證在傳導(dǎo)大的漏源電流（IDS）時(shí)漏源電壓（VDS）很小，要求輸出晶體管的導(dǎo)通電阻很小（0.10.2）。故這要求大晶體管具有很大的柵極電容（CG）。開(kāi)關(guān)電容柵極驅(qū)動(dòng)電

33、路的功耗為2CVf，“C”是電容，“V”是充電期間的電壓變化，f是開(kāi)關(guān)頻率?？梢?jiàn)這里的開(kāi)關(guān)損耗與電容和頻率成正比。因此，晶體管尺寸的選擇是傳導(dǎo)期間將IDS× VDS損失降至最小與將開(kāi)關(guān)損耗降至最小之間的一個(gè)折衷。在高輸出功率情況下，功耗和效率主要由傳導(dǎo)損耗決定，而在低輸出功率情況下，功耗主要由開(kāi)關(guān)損耗決定。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(kāi)關(guān)應(yīng)用中的總功耗，從而提供開(kāi)關(guān)頻率選擇上的靈活性。5.2輸出級(jí)保護(hù)輸出級(jí)遇到的問(wèn)題也有很多，如果得不到解決的話，會(huì)給電路帶來(lái)很多危害，比如欠壓：大多數(shù)開(kāi)關(guān)輸出級(jí)電路只有當(dāng)正電源電壓足夠高時(shí)才能正常工作。如果電源電壓

34、太低，出現(xiàn)欠壓情況，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)增加電壓判定電路來(lái)解決，只有當(dāng)電源電壓大于欠壓閾值時(shí)才允許輸出級(jí)工作。另外，還有散熱問(wèn)題：雖然D類放大器的效率很高，但如果長(zhǎng)時(shí)間工作的話，產(chǎn)生的熱量仍然會(huì)影響輸出晶體管正常工作，在簡(jiǎn)單的保護(hù)方案中，可以增加監(jiān)視溫度的控制電路。，當(dāng)通過(guò)一個(gè)片內(nèi)傳感器測(cè)量的溫度超過(guò)熱關(guān)斷安全閾值時(shí)，輸出級(jí)關(guān)斷，并且一直保持到冷卻下來(lái)。除了簡(jiǎn)單的有關(guān)溫度是否已經(jīng)超過(guò)關(guān)斷閾值的二進(jìn)制指示以外，傳感器還可提供其它的溫度信息。通過(guò)測(cè)量溫度，控制電路可逐漸減小音量水平，減少功耗并且很好地將溫度保持在限定值范圍內(nèi)，而不是在熱關(guān)斷期間強(qiáng)制不發(fā)出聲音。不僅如此，輸出晶體管電流過(guò)大

35、也大有危害：如果揚(yáng)聲器端和輸出級(jí)連接正確，則輸出晶體管會(huì)呈現(xiàn)低導(dǎo)通電阻狀態(tài)不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但如果這些結(jié)點(diǎn)錯(cuò)與另一個(gè)點(diǎn)或電源短路，產(chǎn)生的電流會(huì)很大。如果不經(jīng)核查，這個(gè)電流會(huì)破壞晶體管或外圍電路。因此，需要電流檢測(cè)輸出晶體管保護(hù)電路。在簡(jiǎn)單保護(hù)方案中，如果輸出電流超過(guò)安全閾值，輸出級(jí)關(guān)斷。在比較復(fù)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(gè)最大安全水平，同時(shí)允許放大器連續(xù)工作而無(wú)須關(guān)斷。在這個(gè)方案中，如果限流保護(hù)無(wú)效，最后的手段是強(qiáng)制關(guān)斷。有效的限流器還可在由于揚(yáng)聲器共振出現(xiàn)暫時(shí)的大瞬態(tài)電流時(shí)保持放大器安全工作。5.3信噪比（SNR）由于音頻D類放大器一般用于便攜式產(chǎn)品，所以功耗

36、不會(huì)太大，因此SNR通常應(yīng)當(dāng)超過(guò)90 dB，這個(gè)要求似乎很容易達(dá)到，但是有一點(diǎn)需要注意，實(shí)際上音頻D類放大器在設(shè)計(jì)期間必須跟蹤具體的噪聲源才能保證達(dá)到滿意的總體SNR（Signal to Noise Ratio）5.4失真原因失真原因包括調(diào)制技術(shù)或調(diào)制器實(shí)現(xiàn)中的非線性，以及為了解決沖擊電流問(wèn)題輸出級(jí)所采用的死區(qū)時(shí)間。在D類調(diào)制器輸出脈寬中通常對(duì)包含音頻信號(hào)幅度的信息進(jìn)行編碼。用于防止輸出級(jí)沖擊電流附加的死區(qū)時(shí)間會(huì)引入非線性時(shí)序誤差，它在揚(yáng)聲器產(chǎn)生的失真與相對(duì)于理想脈沖寬度的時(shí)序誤差成正比。用于避免沖擊最短的死區(qū)時(shí)間對(duì)于將失真減至最小經(jīng)常是最有利的。另外，輸出脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間的不匹配、輸出

37、晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)序特性的不匹配、以及LC低通濾波器元器件的非線性也是音頻D類放大器的失真源。5.5電源抑制放大器電源線上的噪聲會(huì)對(duì)輸出信號(hào)造成影響，因此必須適當(dāng)?shù)亍耙种啤痹肼?。電源抑制比（Power Supply Rejection Ratio）從輸入到輸出的增益除以從電源到輸出的增益）是一個(gè)測(cè)量放大器抑制這種偏差程度的重要參數(shù)）。在低功耗的D類放大器電路中，電源噪聲幾乎直接耦合到輸出揚(yáng)聲器，具有很小的抑制作用。發(fā)生這種情況是因?yàn)檩敵黾?jí)晶體管通過(guò)一個(gè)非常低的電阻將電源連接到低通濾波器。我們知道，低通濾波器的作用是來(lái)抑制高頻噪聲的，但它會(huì)讓所有的音頻頻率通過(guò)，其中包括音頻噪聲。如果不解決失真

38、問(wèn)題和電源問(wèn)題，就很難達(dá)到電源抑制優(yōu)于10 dB，或總諧波失真（THD）優(yōu)于0.1%。解決這些問(wèn)題的辦法是：使用具有高環(huán)路增益的反饋。LC濾波器輸入的反饋會(huì)大大提高電源抑制并且衰減所有非LC濾波器的失真源。LC濾波器非線性可通過(guò)在反饋環(huán)路中包括的揚(yáng)聲器進(jìn)行衰減。閉環(huán)D類放大器如果經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可以達(dá)到電源抑制大于60 dB和總諧波失真小于0.01%的較高音質(zhì)。加入反饋固然有諸多好處，但也增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。D類放大器為了將IC成本減至最低，可以盡量縮減其模擬電路成分。然后檢測(cè)電源變化的功能可以用一個(gè)數(shù)字開(kāi)環(huán)調(diào)制器和一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)替代，這樣可以改善電源抑制。對(duì)于音質(zhì)要求寬松的應(yīng)用，可通過(guò)這

39、些開(kāi)環(huán)D類放大器進(jìn)行處理，但如果要達(dá)到更好的音質(zhì)要求，有些形式的反饋就是必需的了。5.6LC濾波器的選擇 D類放大器的主要成本缺點(diǎn)是LC濾波器。LC濾波器裝置中的電感器，占用PCB（印制電路板）面積并且增加成本。在大功率放大器中，D類放大器的總體系統(tǒng)成本仍具有競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)樵谏嵫b置節(jié)省的大量成本可以抵消LC濾波器的成本。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。在極個(gè)別情況下，例如，用于蜂窩電話的低成本放大器，放大器IC的成本可能比LC濾波器的總成本還要低。即使是忽略成本方面的考慮，LC濾波器占用的PCB（Printed Circuit Board）面積也是小型應(yīng)用中的一個(gè)問(wèn)題。為了滿足這

40、些考慮，有時(shí)會(huì)完全取消LC濾波器，以采用無(wú)濾波放大器設(shè)計(jì)。這樣可節(jié)省成本和PCB面積，雖然失去了低通濾波器的好處。如果沒(méi)有濾波器，EMI和高頻功耗的增加將會(huì)不可接受，除非揚(yáng)聲器采用電感式并且非常靠近放大器，電流環(huán)路面積最小，而且功率水平保持很低。盡管這種設(shè)計(jì)在便攜式應(yīng)用中經(jīng)常采用，例如，蜂窩電話，但不適合大功率系統(tǒng)，例如，家庭音響。另一種方法是將每個(gè)音頻通道所需要的LC濾波器元器件數(shù)減至最少。這可以通過(guò)使用單端半橋輸出級(jí)實(shí)現(xiàn)，它需要的電感器和電容器數(shù)量是差分全橋電路的一半。但如果半橋輸出級(jí)需要雙極性電源，那么與產(chǎn)生負(fù)電源相關(guān)的成本可能就會(huì)過(guò)高，除非負(fù)電源已經(jīng)有一些其它目的，或放大器有足夠多的音

41、頻通道，以分?jǐn)傌?fù)電源成本。另外，半橋也可從單電源供電，但這樣會(huì)降低輸出功率并且經(jīng)常需要使用一個(gè)大的隔直流電容器。5.7 實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題1、功放電路在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)電源電壓低于9V時(shí)完全無(wú)聲，說(shuō)明D類功放有一個(gè)非常明確的閥值電壓。2、D類功放的頻率響應(yīng)較線性功放差，但低頻響應(yīng)還好。聽(tīng)了一段時(shí)間D類功放的聲音后再聽(tīng)線性功放的聲音時(shí)明顯感覺(jué)聲音刺耳。3、SD及MUTE CONTROL，SD需要接低電平而MUTE CONTROL需要接高電平功放才能開(kāi)啟。4、黃環(huán)纏出的電感頻率響應(yīng)并不好，功放工作一段時(shí)間后就會(huì)發(fā)熱，溫度比芯片高。6總結(jié)6.1工作的總結(jié)、回顧 D 類放大器應(yīng)用于音頻功放領(lǐng)域的現(xiàn)狀以及前景都

42、是非常樂(lè)觀的，它不僅具有 AB 類放大器的良好線性和最小電路板空間的優(yōu)點(diǎn)，更具有高效率的優(yōu)勢(shì)（理論上可達(dá)100%）。尤其在現(xiàn)在的電子市場(chǎng)上，生產(chǎn)廠家為了滿足各種各樣的便攜式應(yīng)用，已經(jīng)給我們提供了許多不同種類的音頻D類放大器。大大的滿足了低功耗便攜式應(yīng)用如手機(jī)、MP3、對(duì)講機(jī)和筆記本電腦等等對(duì)電池壽命、電路板空間以及 EMI 兼容性的苛刻要求；大功率應(yīng)用如車(chē)載音響系統(tǒng)和平板顯示器上也有D類功放的一席之地，因?yàn)樽畲笙薅冉档蜕嵝枨蠛桶l(fā)熱量在這類應(yīng)用中必不可少?？傊?，D 類放大器憑借其高效低功耗以及體積小易集成的優(yōu)勢(shì)在線性放大器一度占主導(dǎo)地位的應(yīng)用領(lǐng)域盛行起來(lái)并將在便攜式產(chǎn)品上表現(xiàn)出超然的地位。本文對(duì) D 類放大器及其最