類音頻放大器設(shè)計(jì)概念原理和方法上

1、D類放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來(lái)。那么，什么是D類放大器?它們與其它類型的放大器相比如何? 為什么D類放大器對(duì)于音頻應(yīng)用很有意義?設(shè)計(jì)一個(gè)“優(yōu)質(zhì)”D類音頻放大器需要考慮哪些因素? 美國(guó)模擬器件公司(簡(jiǎn)稱ADI公司)D類放大器產(chǎn)品的特點(diǎn)是什么? 本文中試圖回答上述所有問(wèn)題。 D類放大器的優(yōu)點(diǎn) 在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級(jí)包含提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的晶體管。實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型包括A類放大器，AB類放大器和B類放大器。與D類放大器設(shè)計(jì)相比較，即使是最有效的線性輸出級(jí)，它們的輸出級(jí)功耗也很大。這種差別使得D類放大器在許多應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)

2、，因?yàn)榈凸漠a(chǎn)生熱量較少，節(jié)省印制電路板(PCB)面積和成本，并且能夠延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。 線性放大器、D類放大器和功耗線性放大器輸出級(jí)直接連接到揚(yáng)聲器(有些情況下通過(guò)電容器連接)。如果輸出級(jí)使用雙極結(jié)晶體管(BJT)，它們通常工作在線性方式下，具有大的集射極電壓。輸出級(jí)也可以用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。圖1  CMOS線性輸出級(jí) 功率消耗在所有線性輸出級(jí)，因?yàn)楫a(chǎn)生輸出電壓VOUT的過(guò)程中不可避免地會(huì)在至少一個(gè)輸出晶體管內(nèi)造成非零的IDS和VDS。功耗大小主要取決于對(duì)輸出晶體管的偏置方法。 A類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用一只晶體管作為直

3、流(DC)電流源，能夠提供揚(yáng)聲器需要的最大音頻電流。A類放大器輸出級(jí)可以提供優(yōu)良的音質(zhì)，但功耗非常大，因?yàn)橥ǔＳ泻艽蟮腄C偏置電流流過(guò)輸出級(jí)晶體管(這是我們不期望的)，而沒(méi)有提供給揚(yáng)聲器(這是我們期望的)。 B類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)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(dú)立控制，從而允許高端晶體管為揚(yáng)聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負(fù)電流。由于只有信號(hào)電流流過(guò)晶體管，因而減少了輸出級(jí)功耗。但是B類放大器電路的音質(zhì)較差，因?yàn)楫?dāng)輸出電流過(guò)零點(diǎn)和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時(shí)會(huì)造成線性誤差(交越失真)。 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(yuǎn)小于單純

4、的A類放大器。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)。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。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(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IDS×VDS。 D類放大器由于具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖2)，其功耗遠(yuǎn)小于上面任何一類放大器。D類放大器的輸出級(jí)在正電源和負(fù)電源之間切換從而產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因?yàn)楫?dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時(shí)具有零電流，

5、并且在導(dǎo)通時(shí)具有很低的VDS，因而產(chǎn)生較小的功耗IDS×VDS。圖2  D類開環(huán)放大器框圖 由于大多數(shù)音頻信號(hào)不是脈沖串，因此必須包括一個(gè)調(diào)制器將音頻輸入轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號(hào)和與調(diào)制過(guò)程相關(guān)的重要的高頻能量。經(jīng)常在輸出級(jí)和揚(yáng)聲器之間插入一個(gè)低通濾波器以將電磁干擾(EMI)減至最小，并且避免以太多的高頻能量驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。為了保持開關(guān)輸出級(jí)的功耗優(yōu)點(diǎn)，要求該濾波器(見圖3)是無(wú)損的(或接近于無(wú)損)。低通濾波器通常采用電容器和電感器，只有揚(yáng)聲器是耗能元件。圖3  差分開關(guān)輸出級(jí)和LC低通濾波器 D類放大器

6、術(shù)語(yǔ)以及差分方式與單端方式的比較 圖3示出D類放大器中輸出晶體管和LC濾波器的差分實(shí)現(xiàn)。這個(gè)H橋具有兩個(gè)半橋開關(guān)電路，它們?yōu)闉V波器提供相反極性的脈沖，其中濾波器包含兩個(gè)電感器、兩個(gè)電容器和揚(yáng)聲器。每個(gè)半橋包含兩個(gè)輸出晶體管，一個(gè)是連接到正電源的高端晶體管MH，另一個(gè)是連接到負(fù)電源的低端晶體管ML。圖3中示出的是高端pMOS晶體管。經(jīng)常采用高端nMOS晶體管以減小尺寸和電容，但需要特殊的柵極驅(qū)動(dòng)方法控制它們(見深入閱讀資料1)。全H橋電路通常由單電源(VDD)供電，接地端用于接負(fù)電源端(VSS)。對(duì)于給定的VDD和VSS，H橋電路的差分方式提供的輸出信號(hào)是單端方式的兩倍，并且輸出功率是其四倍。半

7、橋電路可由雙極性電源或單極性電源供電，但單電源供電會(huì)對(duì)DC偏置電壓產(chǎn)生潛在的危害，因?yàn)橹挥蠽DD/2電壓施加到過(guò)揚(yáng)聲器，除非加一個(gè)隔直電容器。 “激勵(lì)”的半橋電路電源電壓總線可以超過(guò)LC濾波器的大電感器電流產(chǎn)生的標(biāo)稱值。在VDD和VSS之間加大的去耦電容器可以限制激勵(lì)dV/dt的瞬態(tài)變化。全橋電路不受總線激勵(lì)的影響，因?yàn)殡姼衅麟娏鲝囊粋€(gè)半橋流入，從另一個(gè)半橋流出，從而使本地電流環(huán)路對(duì)電源干擾極小。 音頻D類放大器設(shè)計(jì)因素 雖然利用D類放大器的低功耗優(yōu)點(diǎn)有力推動(dòng)其音頻應(yīng)用，但是有一些重要問(wèn)題需要設(shè)計(jì)工程師考慮，包括： *輸出晶體管尺寸選擇； *輸出級(jí)保護(hù)； *音質(zhì)； *調(diào)制方法； *抗電磁干擾(

8、 EMI)； *LC濾波器設(shè)計(jì)； *系統(tǒng)成本。 輸出晶體管尺寸選擇選擇輸出晶體管尺寸是為了在寬范圍信號(hào)調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗。當(dāng)傳導(dǎo)大的IDS時(shí)保證VDS很小，要求輸出晶體管的導(dǎo)通電阻(RON)很小(典型值為0.1W0.2W)。但這要求大晶體管具有很大的柵極電容(CG)。開關(guān)電容柵極驅(qū)動(dòng)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(guān)頻率。如果電容或頻率太高，這個(gè)“開關(guān)損耗”就會(huì)過(guò)大，所以存在實(shí)際的上限。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

9、功率情況下，功耗主要由開關(guān)損耗決定。功率晶體管制造商試圖將其器件的RON×CG減至最小以減少開關(guān)應(yīng)用中的總功耗，從而提供開關(guān)頻率選擇上的靈活性。 輸出級(jí)保護(hù) 輸出級(jí)必須加以保護(hù)以免受許多潛在危險(xiǎn)條件的危害： 過(guò)熱: 盡管D類放大器輸出級(jí)功耗低于線性放大器，但如果放大器長(zhǎng)時(shí)間提供非常高的功率，仍會(huì)達(dá)到危害輸出晶體管的水平。為了防止過(guò)熱危險(xiǎn)，需要溫度監(jiān)視控制電路。在簡(jiǎn)單的保護(hù)方案中，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

10、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。輸出晶體管過(guò)流: 如果輸出級(jí)和揚(yáng)聲器端正確連接，輸出晶體管呈低導(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)不注意與另一個(gè)結(jié)點(diǎn)或正、負(fù)電源短路，會(huì)產(chǎn)生巨大的電流。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。 欠壓: 大多數(shù)開關(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。如果電源電壓太低，出現(xiàn)欠壓情況，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題通常通過(guò)欠壓封鎖電路來(lái)處理，只有當(dāng)電源電壓大于欠壓封鎖閾值時(shí)才允許輸出級(jí)工作。圖4  輸出級(jí)晶體管的先合后開開關(guān) 輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)序 : MH和ML輸出級(jí)晶體管(見圖4)具有非常低的導(dǎo)