畢業(yè)設(shè)計--d類音頻功率放大器的設(shè)計

1、<p>　　D類音頻功率放大器的設(shè)計 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字功率放大器代表著音響技術(shù)數(shù)字化的新臺階具有模擬功率放大器不可比擬的優(yōu)勢，本系統(tǒng)以高效率D類功率放大器為核心，輸出開關(guān)管采用高速VMOSFET管，連接成互補對稱H橋式結(jié)構(gòu)，最大不失真輸出功率大于1W，平均效率可達到70％左右。D類放大器包括脈寬調(diào)

2、制器和輸出級。</p><p>　　本文首先介紹了聲音的基本特性、音響放大器的技術(shù)指標、放大器分類和D類放大器的工作原理，接著進行了D類功放的仿真分析，包括PWM波的形成、頻譜分析等等；然后設(shè)計了基于MAXIM公司的10W立體聲/15W單聲道集成芯片MAX9703/MAX9704的D類放大器，并對D類功放的發(fā)展與技術(shù)展望進行了描述。</p><p>　　在本文里，對放大器的各個模塊包括放大

3、電路、比較器電路、三角波產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路等進行了設(shè)計和仿真，且達到了預(yù)先設(shè)定的指標。</p><p>　　關(guān)鍵詞: D類放大器 脈寬調(diào)制 高速開關(guān)電路 低通濾波</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 引 言……………………………………………………………………………… 4</p><p>

4、;　　2 音響的基礎(chǔ)知識4</p><p>　　2.1 聲音的基本特性6</p><p>　　2.2 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù)6</p><p>　　2.3 放大器的技術(shù)指標6</p><p>　　3 放大器的簡介7</p><p>　　4 D類功放的原理及仿真9</p><p>　　4.1

5、 D類功放的工作原理9</p><p>　　4.2 D類功放的EDA仿真11</p><p>　　4.2.1 EDA仿真概述11</p><p>　　4.2.2 D放大器原理仿真概述12</p><p>　　4.2.3 輸入信號抽樣――PWM波的形成仿真13</p><p>　　4.2.4 輸出信號PWM波的

6、頻譜仿真分析13</p><p>　　4.3 D類功放的優(yōu)點14</p><p>　　5 D類功放的硬件設(shè)計15</p><p>　　5.1 D類功放的設(shè)計原理15</p><p>　　5.2 D類功放電路分析與計算18</p><p>　　5.2.1脈寬調(diào)制器（PWM）18</p><

7、p>　　5.2.2 前置放大器20</p><p>　　5.2.3 驅(qū)動電路21</p><p>　　5.2.4 高速開關(guān)電路21</p><p>　　5.2.5 低通濾波26</p><p>　　6 MAX9703/MAX9704單聲道/立體聲D類音頻功率放大器30</p><p><b>

8、;　　6.1 概述30</b></p><p>　　6.2 MAX9703/MAX9704詳細說明30</p><p>　　6.2.1 工作效率30</p><p>　　6.2.2 應(yīng)用信息31</p><p>　　7 D類功放的發(fā)展與技術(shù)展望33</p><p>　　7.1 D類功放的不足33

9、</p><p>　　7.2 D類功放的最新發(fā)展——T類功率放大器33</p><p><b>　　結(jié)論34</b></p><p><b>　　致謝35</b></p><p><b>　　參考文獻36</b></p><p><b>

10、;　　1 引 言</b></p><p>　　當今音響數(shù)字化技術(shù)以大部分應(yīng)用在音響設(shè)備中。如作為音源的CD、DAT、MD、DVD等，數(shù)字調(diào)音臺以及數(shù)字效果器、壓限器、激勵器等周邊設(shè)備也被一些專業(yè)場所使用。而音響系統(tǒng)最后環(huán)節(jié)的功率放大器和揚聲器卻仍然徘徊在數(shù)字化的大門外。人們永無止境的追求音響重放高保真度，而模擬功率放大器經(jīng)過了幾十年發(fā)展以很難有新的突破，隨著生活水平的提高，人們逐漸關(guān)注環(huán)保與能量的利

11、用率的問題，因此，人們再一次把目光投向數(shù)字功放。</p><p>　　早在20世紀60年代末期其實就有人研究數(shù)字放大器，為什么音響發(fā)展了數(shù)十年，一直沒有其產(chǎn)品面世？究其原因，是在數(shù)字音頻放大器的設(shè)計與制作過程中，最大的難題就是高速轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。因為其需要極高的精確度，但在如何解決脈沖調(diào)制放大在工作時提供持續(xù)穩(wěn)定的線性響應(yīng)，以及如何避免產(chǎn)生輻射脈沖干擾等方面難以取得突破，故使脈沖調(diào)制型放大器在音響應(yīng)用領(lǐng)域一直停滯不

12、前。如今，隨著脈沖調(diào)制放大電路的技術(shù)瓶頸被逐漸解決，數(shù)字放大器的優(yōu)點日漸突顯，推陳出新，人們越來越關(guān)注它了。</p><p>　　對功率放大器的普遍要求是低失真，大功率，高效率。模擬功率放大器通過采用優(yōu)質(zhì)元件，復(fù)雜的補償電路，深負反饋，使失真變得很小，但大功率和高效率難以解決。但工作在開關(guān)狀態(tài)下的D類功率放大器卻很容易實現(xiàn)。</p><p>　　傳統(tǒng)的音頻功放工作時，直接對模擬信號進行放大

13、，工作期間必須工作于線性放大區(qū)，功率耗散較大，雖然采用推挽輸出，減小了功率器件的承受功率，但面對較大功率，對功率器件構(gòu)成極大威脅。功率輸出受到限制。此外，模擬功率放大器還存在以下的缺點:</p><p>　　1.電路復(fù)雜，成本高。常常需要設(shè)計復(fù)雜的補償電路和過流，過壓，過熱等保護電路，體積較大，電路復(fù)雜。</p><p>　　2.效率低，輸出功率不是很大。</p><p

14、>　　D類開關(guān)音頻功率放大器的工作基于PWM模式:將音頻信號與采樣頻率比較，經(jīng)自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號幅度成正比例變化的PWM波，然后經(jīng)過驅(qū)動電路，加到功率MOS的柵極，控制功率器件的開關(guān)，實現(xiàn)放大，將放大的PWM送入濾波器，則還原為音頻信號。</p><p>　　D類功率放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，理論效率可達100%，實際的運用也可達80%以上。功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱器的尺

15、寸，連續(xù)輸出功率很容易達到數(shù)百瓦。功率MOS有自保護電路，可以大大簡化保護電路，而且不會引入非線性失真。</p><p>　　對于高電感的揚聲器，在設(shè)計電路時，是可以省去低通濾波器〔LPF)，這樣可以大大的節(jié)省體積和花費。而且有更高的保真度，這一點，在國外的SVD類功率放大器中已經(jīng)開始運用，如:TEXAS公司的TPA2002D2。</p><p>　　近年來，國外的公司對D類功率放大器進行

16、了研究和開發(fā)，提出了一些方案，但是尚存在了較大的難度，由于采用PWM方式，為了提高音質(zhì)，降低失真，必須提高調(diào)制頻率，但是在較高頻率下，會產(chǎn)生一定的問題，同時，D類功率放大器對器件的要求較高，不利于降低成本。</p><p><b>　　2 音響的基礎(chǔ)知識</b></p><p>　　2.1 聲音的基本特性</p><p>　　響度: 人主觀上感

17、覺聲音的大小（俗稱音量），由“振幅”和人離聲源的距離決定，振幅越大響度越大，人和聲源的距離越小，響度越大。</p><p>　　音調(diào):是人耳對聲音調(diào)子高低的主觀感覺，聲調(diào)的高低與聲音的物理量“頻率”對應(yīng)人耳的聽覺范圍:20hz～20KHz稱之為可聽聲，低于20Hz稱為次聲，高于20KHz稱為超聲，人耳對3K～4K的聲音最敏感。</p><p>　　音色:聲音的特性又叫音品或音質(zhì)，它是由聲音

18、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。</p><p>　　2.2音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù)</p><p>　　前置放大器和功率放大器，以前置放大器承擔控制任務(wù)為主，對各種節(jié)目源信號進行選擇和處理，對微弱信號放大到0.5-1V，進行各種音質(zhì)控制，美化音色。功率放大器，承擔放大任務(wù)，是將前置放大器輸出的音頻信號進行功率放大，以推動揚聲

19、器發(fā)聲。將電壓放大，電流放大，要求是宏亮而不失真。</p><p>　　2.3 放大器的技術(shù)指標</p><p><b>　　1.額定功率:</b></p><p>　　音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值(r<1%)的最大功率稱為額定功率，表達式；P= U/R, U為負載兩端的最大不失真電壓，R為額定負載阻抗。</p><

20、;p><b>　　2.頻率響應(yīng)</b></p><p>　　放大器的電壓增益相對于中音頻f (1KHz)的電壓增益下降3dB時所對應(yīng)的低音音頻f和高音音頻f稱為放大器的頻率響應(yīng)。</p><p><b>　　3.輸入靈敏度</b></p><p>　　使音響放大器輸出額定功率時所需的輸入電壓(有效值)稱為靈敏度。&l

21、t;/p><p><b>　　4.噪聲電壓</b></p><p>　　使輸入為零時，輸出負載凡上的電壓稱為噪聲電壓U。</p><p><b>　　3 放大器的簡介</b></p><p>　　功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類。即A類、AB類、B類、C類、D類。在音頻功放領(lǐng)域中，前四類均可直接采用

22、模擬音頻信號直接輸入，放大后將此信號用以推動揚聲器發(fā)聲。D類放大器比較特殊，它只有兩種狀態(tài)，不是通就是斷。因此，它不能直接輸入模擬音頻信號，而是需要某種變換后再放大。</p><p>　　1.A類(甲類)放大器 </p><p>　　A類(甲類)放大器，是指電流連續(xù)地流過所有輸出器件的一種放大器。這種放大器，由于避免了器件開關(guān)所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動態(tài)范圍控制得當，僅從失真的角度來看，

23、可認為它是一種良好的線性放大器。 </p><p>　　A類放大器在結(jié)構(gòu)上，還有兩類不同的工作方式。其中一類是將兩個射極跟隨器相聯(lián)工作，其偏置電流要增加到在正常負載下有足夠的電流流過，而不使任一器件截止。這一措施的最大優(yōu)點是它不會突然地耗盡輸出電流，如果負載阻抗低于標定值，放大器會短期出現(xiàn)截止現(xiàn)象，在失真上可能略有增加，但不致出現(xiàn)直感上的嚴重缺陷。另一類可稱作為控制電流源型(VCIS)，它本質(zhì)上是一個單獨的射極跟

24、隨器，并帶有一個有源發(fā)射極負載，以達到合適的電流泄放。這一類作為輸出級時，需要在開始設(shè)計之前就把所要驅(qū)動的阻抗是多低搞清楚。</p><p>　　2.B類(乙類)放大器 </p><p>　　B類(乙類)放大器，是指器件導(dǎo)通時間為50％的一種工作類別。這類放大器可以說是最為流行的一種放大器，也許目前所生產(chǎn)的放大器有99％是屬于這一類。由于大家比較熟悉，這里不作詳細介紹。 </p>

25、;<p>　　3.AB類[甲乙類)放大器 </p><p>　　AB類(甲乙類)放大器，實際上是A類(甲類)和B類(乙類)的結(jié)合，每個器件的導(dǎo)通時間在50—100％之間，依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類放大器的偏置按B類(乙類)設(shè)計，然后增加偏置電流，使放大器進入AB類(甲乙類)。 </p><p>　　AB類(甲乙類)放大器在輸出低于某一電平時，兩個輸出器件皆導(dǎo)通，其狀

26、態(tài)工作于A類(甲類)；當電平增高時，兩個器件將完全截止，而另一個器件將供給更多的電流。這樣在AB類(甲乙類)狀態(tài)開始時，失真將會突然上升，其線性劣于A類(甲類)或B類(乙類)。不過筆者認為，它的正當使用在于它對A類(甲類)的補充，且當面向低負載阻抗時可繼續(xù)較好地工作。 </p><p>　　4.C類(丙類)放大器 </p><p>　　C類(丙類)放大器，是指器件導(dǎo)通時間小于50％的工作類

27、別。這類放大器，一般用于射頻放大，很難找到用于音頻放大的實例。 </p><p><b>　　5. D類放大器</b></p><p>　　D類放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，無信號時無電流，而導(dǎo)電時，沒有直流損耗。事實上由于關(guān)斷時器件尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時，器件并未完全短路，尚有一定管壓降，故存在較少直流損耗，效率不能達100%，實際在80-90%,是實用放大器中效率最高

28、的。正是由于D類放大器的效率高，100瓦輸出的設(shè)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。并且由于工作比音頻高10余倍的脈沖狀態(tài)，電源整流紋波對電路工作影響很小。</p><p>　　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。對于線性放大器（如AB類）來說，偏置原件和輸出晶體管的線性工作方式會損耗大量功率。因為D類放大器的晶體管只是作為

29、開關(guān)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。D類放大器的功耗主要來自輸出晶體管導(dǎo)通阻抗、開關(guān)損耗和靜態(tài)電流開銷。放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類放大器對散熱器的要求大為降低，甚至可以省去散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應(yīng)用。</p><p>　　近年來，人們的在許多應(yīng)用領(lǐng)域廣泛關(guān)注D類放大器。主要有兩個因素。首先，是市場需要。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(shè)備

30、市場的迅速發(fā)展。對于手機來說，揚聲器和PTT (Push-to-Talk，一鍵通)模式需要D類放大器的高效率，以延長電池壽命。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。而D類放大器的高效率意味著驅(qū)動電子設(shè)備時功耗更低，使LCD平板顯示器工作時發(fā)熱更少，圖像顯示效果更好。其次，是自身技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)市場需要，一些制造商改進了D類放大技術(shù)，使D類放大器具

31、有更理想價格的同時，也具備了與AB類放大器相近的音頻性能。此外，一些新型的D類放大器輸出調(diào)制方案還可以降低實際應(yīng)用的EMI。 </p><p>　　4 D類功放的原理及仿真</p><p>　　4.1 D類功放的工作原理</p><p>　　D類功率放大器的原理，首先將脈沖編碼調(diào)制（PCM，Pulse Code Modulation）音頻數(shù)據(jù)流通過專門的等比特數(shù)字處

32、理器EquibitDSP變換為脈寬調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）的數(shù)據(jù)流。采用脈寬調(diào)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。將這些脈寬調(diào)制的數(shù)據(jù)流去推功率放大器的常規(guī)晶體輸出管。由于受到脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)流的作用，晶體輸出管將迅速地時而飽和導(dǎo)通工作，時而截止不工作。晶體管導(dǎo)通工作時間越長，信號幅度便越大，于是晶體輸出管為揚聲器提供的電流也時而因管子導(dǎo)通

33、而有電流流過，時而因管子截止而沒有電流流過，音頻信息便包含在這些接通、斷開的周期過程中。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(fù)為原有的音樂波形。</p><p>　　D類放大器的電路工作方式為開關(guān)狀態(tài)，作為放大音頻正弦信號，還需模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將音頻模擬信號先變?yōu)槊}沖方波，從而進行放大。其原理方塊圖如圖4-1,波形圖如圖4-2。</p><p>　　圖4-1 D

34、類放大器的原理方塊圖</p><p>　　圖4-2將正弦波變?yōu)槊}沖波的脈寬調(diào)制電路</p><p>　　從圖4-1的結(jié)構(gòu)可知，兩個放大器反相連接，實際上構(gòu)成推挽狀態(tài)，起到開關(guān)作用去控制與電源串聯(lián)的負載回路(RL)，低通濾波器LPF可以濾去脈沖波的高頻部分，得到基波成分，所以實際上成為數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換電路，重新將脈沖波還原成為正弦波。從電路看，當兩支形狀短路阻抗為0，開路阻抗為無窮大時，

35、電路效率100%。因為揚聲器是感性負載，對于高電感的揚聲器如中頻揚聲器，D類功放可以不用低通濾波器，直接與揚聲器相聯(lián)。</p><p>　　圖4-2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(diào)制，稱為PWM信號，即“脈寬調(diào)制”信號。這里沒有應(yīng)用一般概念的A/D變換電路，而是用一個幅度與放大的正弦信號近似的三角波，共同作為變換器輸入，相當于反相比較器。當三角波幅度大于正弦波幅部分，變換電路輸出"

36、;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。</p><p>　　D類功放使用的開關(guān)管采用功率型MOSFET，即大功率場效應(yīng)管，并為保證足夠的激勵電壓而設(shè)有驅(qū)動電路，使FET能充分的開啟和關(guān)斷。</p><p>　　圖4-3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

37、信號同頻率的基波成分外，還存在各次諧波的頻譜。因此用LPF低通濾波器就可以濾去高頻諧波而得到正弦基波成分，因此，可使數(shù)模轉(zhuǎn)換電路非常簡化。</p><p>　　圖4-3 PWM波的頻譜</p><p>　　4.2 D類功放的EDA仿真</p><p>　　4.2.1 EDA仿真概述</p><p>　　EDA（Electronic Des

38、ign Automation ）是指以計算機為工作平臺，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成功的電子CAD通用軟件包。主要能輔助進行三方面的設(shè)計工作，既IC設(shè)計、電子電路設(shè)計和PCB設(shè)計。EDA技術(shù)經(jīng)過了三個階段的發(fā)展。從70年代的（CAD）階段和80年代的（CAE）階段，到90年代的電子系統(tǒng)設(shè)計自動化（EDA）階段。EDA技術(shù)代表了當今電子設(shè)計技術(shù)的最新發(fā)展方向。它不僅為電子技術(shù)設(shè)計人員提供了“自頂向下”的設(shè)計理念

39、，同時也為教學(xué)提供了一個極為便捷的、科學(xué)的實驗教學(xué)平臺。電工電子類專業(yè)課程中的電工基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)都可以通過EDA仿真軟件，進行電路圖的繪制、設(shè)計、仿真試驗和分析。</p><p>　　本課題研究時采用簡單易用的EWB軟件，其操作簡單、直觀，對計算機的要求低，特別適合初學(xué)者和在校的學(xué)生使用。</p><p>　　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

40、驟，重點應(yīng)該做好課題建模、儀器的連接、運行仿真試驗、分析結(jié)果等工作。建模過程中，各級電路的元器件參數(shù)選擇必須 準確，應(yīng)防止節(jié)點的虛脫和注意地端的連接。測試儀器的使用，應(yīng)注意相關(guān)的對話框設(shè)置，做到各項選擇符合其電路要求。運行仿真試驗的目的就是得出分析數(shù)據(jù)、電路波形特性及各種相關(guān)參數(shù)。</p><p>　　圖4－4 EDA仿真分析流程圖</p><p>　　4.2.2 D放大器原理仿

41、真概述</p><p>　　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(yīng)管驅(qū)動電路和低通濾波器構(gòu)成，現(xiàn)將仿真電路設(shè)計如下。</p><p>　　圖4－5 D類放大器的仿真電路</p><p>　　其中輸入信號為1KHz的正弦波，抽樣信號為200KHz由的三角波，由EWB中的信號發(fā)生器提供，幅度為2V，占空比為50％；電壓比較器采用EWB中

42、的理想運算放大器，輸出的極值為－5V～＋5V；場效應(yīng)管驅(qū)動電路采用理想場效應(yīng)管構(gòu)成的開關(guān)放大電路；低通濾波器為LC二階濾波器。</p><p>　　4.2.3 輸入信號抽樣――PWM波的形成仿真</p><p>　　圖4－6 PWM波的形成仿真</p><p>　　4.2.4 輸出信號PWM波的頻譜仿真分析</p><p>　　圖4－7 傅里

43、葉分析的設(shè)置</p><p>　　4.3 D類功放的優(yōu)點</p><p>　　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。實現(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。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，因為低功耗產(chǎn)生熱量較少，節(jié)省印制電路板(PCB)面積和

44、成本，并且能夠延長便攜式系統(tǒng)的電池壽命。 </p><p>　　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： </p><p>　　（1）能量轉(zhuǎn)換效率極高，體積小，可靠性高。耗電量僅為同功率等級模擬放大器的三分之一。其電源使用效率高達90%以上，節(jié)約能源，也符合環(huán)保要求。而B類放大器效率僅為78%（理論值），A類功放的效率就更低。由于D類功放極高的效率，半導(dǎo)體器件的溫升明顯減小，

45、失真率也就顯著減小。</p><p>　?。?）無過零失真。傳統(tǒng)功放一般都存在由于對管配對及各級調(diào)整不佳產(chǎn)生的過零，交越失真。 </p><p>　?。?）瞬態(tài)響應(yīng)好，即“動態(tài)特性”好。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。 </p><p>　?。?）高、中、低頻無相對相移，聲

46、音清晰透明，聲像定位準確。由于采用無負反饋的放大電路、數(shù)字濾波器等處理技術(shù)，可以將輸出濾波器的截止頻率設(shè)計得較高，從而保證在20Hz~20kHz內(nèi)得到平坦的幅頻特性和很好的相頻特性。 </p><p>　?。?）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(jié)合。 </p><p>　?。?）適合于大批量生產(chǎn)。產(chǎn)品的一致性好，生

47、產(chǎn)中無需調(diào)試，只要保證元器件正確安裝即可。5 D類功放的硬件設(shè)計</p><p>　　5.1 D類功放的設(shè)計原理</p><p>　　在音響領(lǐng)域里人們一直堅守著A類功放的陣地。認為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法克服的先天頑跌。B類功放雖然效率提高很多，但實際效率僅為50％左右，在小型使撓式音響設(shè)備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大

48、功率功放場合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，效率極高的D類功放，因其符合綠色華命的潮流正受著各方面的重視。</p><p>　　由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，原來用分立幾件制作的很復(fù)雜的調(diào)制電路，現(xiàn)在無論在技術(shù)上還是在價格上均已不成問題。而且近年來數(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，進一步顯示出D類功放的發(fā)展優(yōu)勢。</p><p>　　D類功放是放大力件處于開關(guān)工作狀

49、態(tài)的一種放大模式。無倍號輸入時放大器處于截止狀態(tài)，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進入飽和狀態(tài)，晶體管相當于一個接通的開關(guān)，把電源與負載直接接通*理想晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上晶體管總會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)，而與信號輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場合。在理想情況下，D類功放的效率為100％，B類功放的效率為78．5％，A類功放的效率才50％或25％(按負載方式而定)。<

50、/p><p>　　D類功放實際上只具有開關(guān)功能，早期僅用于繼電器和電機等執(zhí)行元件的開關(guān)控制電路中。然而，開關(guān)功能(也就是產(chǎn)生數(shù)字信號的功能)隨著數(shù)字音頻技術(shù)研率的不斷深入，用于Hi—F1音頻放大的道路卻口益暢通。20世紀60年代，設(shè)計人員開始研究D類功放用于音頻的放大技術(shù)，70年代Bose公司就外始生產(chǎn)D類汽車功放。一方面汽車用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無法放入有大散熱板結(jié)構(gòu)的功故，兩者都希望有D類這樣

51、高效的放大器來放大音頻信號。共今關(guān)鍵的一步就是村音頻信號的調(diào)制。</p><p>　　圖5-1是D類功放的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個部分：</p><p>　　圖5-1 D類功放的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　第一部分為調(diào)制器，最簡單的只需用一只運放構(gòu)成比較器即可完成。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。當

52、正端上的電位高于負端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。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。當有音頻信號輸入時，正半周期間，比較器輸出高電平的時間比低電乎長，方波的占空比大于1：1，負半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少，方被占空比小于1：1。這樣，比較器輸出的波形

53、就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形，稱為PWM(Pulse Width Modulation脈寬調(diào)制)或PDM(Pulse Duration Modulation 脈沖持續(xù)時間調(diào)制)波形。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。</p><p>　　第二部分就是D類功故，這是一個脈沖控制的大電流開關(guān)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。能夠輸出的最大功率由負載、電源電壓和晶體管允許流過

54、的電流來決定。</p><p>　　第三部分需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。方法很簡單，只需要用一個低通濾波器。但由于此時電流很大，RC結(jié)構(gòu)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。當占空比大于1：1的脈沖到來時，C的充電時間大子放電時間，輸出電平上升；窄脈沖到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相—致，所以原音頻傳號被恢復(fù)出來，見圖5-2。</p>

55、<p>　　圖5-2 模擬D類功放工作原理</p><p>　　D類功放設(shè)計考慮的角度與AB類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太大意義，更重要的是開關(guān)響應(yīng)和飽和壓降。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(guān)響應(yīng)要好。另外，整機的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所隊飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結(jié)構(gòu)也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價格昂貴

56、，在一定程度上限制了D類功放的發(fā)展?，F(xiàn)在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是近年來UHC MOSFET已在Hi-Fi功放上應(yīng)用，器件的障礙已經(jīng)消除。</p><p>　　調(diào)制電路也是D類功放的一個特殊環(huán)節(jié)。要把20KHz以下的音頻調(diào)制成PWM信號，三角波的頻率至少要達到200KHz。頻率過低達到同樣要求的THD標準，對無源LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加

57、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(yīng)降低。但此時晶體管的開關(guān)損耗會隨頻率上升而上升，無源器件小的高頻損耗、射頻的趨膚效應(yīng)都會使整機效率下降。更高的調(diào)制頻率還會出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于1MHZ。</p><p>　　同時，三角波形的形狀、頻率的準確性和時鐘信號的抖晃都會影響到以后復(fù)原的信號與原信號不同而產(chǎn)生失真。所以要實現(xiàn)高保真，出現(xiàn)了很

58、多與數(shù)字音響保真相同的考慮。</p><p>　　還有一個與音質(zhì)有很大關(guān)系的因素就是位于驅(qū)動輸出與負載之間的無源濾波器。該低通濾被器工作在大電流下，負載就是音箱。嚴格地講，設(shè)計時應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進去，但作為一個功放產(chǎn)品指定音箱是行不通的，所以D類功放與音箱的搭配小更有發(fā)燒友馳騁的天地。實驗證明，當失真要求在0.5％以下時，用二階Butterworth最平坦響應(yīng)低通濾波器就能達到要求。如要求更高則需用四階

59、濾波器，這時成本和匹配等問題都必須加以考慮。</p><p>　　5.2D類功放電路分析與計算</p><p>　　5.2.1脈寬調(diào)制器（PWM）</p><p>　　1． 方案論證與比較</p><p>　　方案一：可選用專用的脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題發(fā)揮部分的實現(xiàn)</p><p>　　方案

60、二：采用圖5-12所示方式來實現(xiàn)。三角波產(chǎn)生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分的功能清晰，實現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。 若合理的選擇器件參數(shù)，可使其能在較低的電壓下工作，故選用此方案。</p><p>　　圖5-12 脈寬調(diào)制器</p><p>　　2． 三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　該電路我們采用滿幅運放TLC4502及高速精密電壓比較器LM311來實現(xiàn)(電路如

61、圖5-13所示)。 TLC4502不僅具有較寬的頻帶，而且可以在較低的電壓下滿幅輸出，既保證能產(chǎn)生線性良好的三角波，而且可達到發(fā)揮部分對功放在低電壓下正常工作的要求。</p><p>　　圖5-13三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實現(xiàn)，選擇150KHz的載波，使用四階Butterworth LC濾波器，輸出端對載頻的衰減大于60dB，能滿足

62、題目的要求，所以我們選用載波頻率為150 kHz。</p><p>　　電路參數(shù)的計算：在5v單電源供電下，我們將運放5腳和比較器3腳的電位用R8調(diào)整為2.5v，同時設(shè)定輸出的對稱三角波幅度為1v(Vp_p＝2V)。若選定R10為100 kΩ，并忽略比較器高電平時R11上的壓降，則R9的求解過程如下：</p><p>　　(5-2.5)/100=1/R9, R9=100/2.5=40KΩ&

63、lt;/p><p><b>　　取R9為39kΩ。</b></p><p>　　選定工作頻率為f=150kh，并選R7+R6=20kΩ，則電容C3的計算過程如下：對電容的恒流充電或放電電流為</p><p>　　I=(5-2.5)/R7+R6=2.5/(R7+R6)</p><p>　　則電容兩端最大電壓值為</p&g

64、t;<p>　　其中T為半周期，T=T/2=1/2f。V的最大值為2V，則</p><p>　　2=2.5/C4(R7+R6)×1/2f</p><p>　　C4=2.5/(R7+R6)4f=2.5/20×1000×4×150×1000≈208.3pF</p><p>　　取C4=220pF,R7=10

65、KΩ,R6采用20KΩ可調(diào)電位器。使振蕩器頻率f在150KHz左右有較大的調(diào)整范圍。</p><p><b>　　3． 比較器</b></p><p>　　選用LM311精密、高速比較器，電路如圖，供電為5v單電源，給V＝V提供2．5v的靜態(tài)電位，取R＝R，R＝R，4個電阻均取10KΩ。 出于三角波V=2v，所以要求音頻信號的V不能大于2v，否則會使功放產(chǎn)生失真。&l

66、t;/p><p>　　圖5-14比較器電路</p><p>　　5.2.2 前置放大器</p><p>　　電路如圖5-15所示。設(shè)置前置放大器，可使整個功放的增益從1—20連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。 當功放輸出的最大不失真功率為1w時，其8Ω上的電壓V=8v，此時送給比較器音頻信號的V值應(yīng)為2V，則功放的最大增益約為4(實際上，功放的最大不失真功率要略大

67、干l w，其電壓增益要略大干4)。 因此必須對輸入的音頻信號進行前置放大，其增益應(yīng)大干5。前放仍采用寬頻帶、低漂移、滿幅運放TLC4502，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。 選擇同相放大器的目的是容易實現(xiàn)輸入電阻R1=10KΩ的要求。 同時，采用滿幅運放可在降低電源電壓時仍能正常放大，取V=V/2=2．5V，要求輸入電阻R大干10KΩ，故取R=R=51KΩ，則R＝51／2=25.5，反饋電阻采用電位器R，取R=20KΩ,反相端電阻R取2．

68、4KΩ，則前置放大器的最大增益A為</p><p>　　A=1+R4/R3=1+20/2.4≈9.3</p><p>　　調(diào)整R使其增益約為8，則整個功放的電壓增益從0～32可調(diào)。</p><p>　　圖5-15前置放大器電路</p><p>　　考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值V<2．5v，取V=2.0 V，則要求輸入的音頻

69、最大幅度V<( V/ A)=2/8=250mv。 超過此幅度則輸出會產(chǎn)生削波失真。</p><p>　　5.2.3 驅(qū)動電路</p><p>　　電路如圖5-16所示。 將PWM信號整形變換成互補對稱的輸出驅(qū)動信號，用CD40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)運用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補對稱式射極跟隨器驅(qū)動的輸出管，保證了快速驅(qū)動。 驅(qū)動電路晶體三極管選用2SC8050和

70、2SA8550對管。</p><p><b>　　圖5-16驅(qū)動電路</b></p><p>　　5. 2.4 高速開關(guān)電路 </p><p>　　1． 方案論證與比較</p><p><b>　?、伲敵龇绞?lt;/b></p><p>　　方案一：選用推挽單端輸出方式(電路

71、如圖5-17所示)。電路輸出載波峰—峰值不可能超過5v電源電壓，最大輸出功率遠達不到題目的基本要求。</p><p>　　圖5-17 推挽單端輸出電路</p><p>　　方案二：選用H橋型輸出方式(電路如圖5-18所示)。此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波的峰—峰值可達10 v，有效地提高了輸出功率，且能達到題目所有指標要求，改選用此輸出電路形式。</p><p&

72、gt;　　圖5-18 H橋型輸出電路</p><p><b>　　②．開關(guān)管的選擇</b></p><p>　　為提高功率放大器的效率和輸出功率，開關(guān)管的選擇非常重要，對它的要求是高速、低導(dǎo)通電阻、低損耗。</p><p>　　方案一：選用晶體三極管、IGBT管。 晶體三極管需要較大的驅(qū)動電流，并存在儲存時間，開關(guān)特性不夠好，使整個功放的靜態(tài)損

73、耗及開關(guān)過程中的損耗較大；IGBT管的最大缺點是導(dǎo)通壓降太大。</p><p>　　方案二：選用VMOSFET管。VMOSFET管具有較小的驅(qū)動電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開關(guān)特性，故選用高速VMOSFET管。</p><p>　　2. 開關(guān)功率輸出電路</p><p>　?、伲?H 橋式輸出電路基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　H 橋式輸出電路在數(shù)

74、字功放中廣泛采用，其差動平衡式輸出可以濾除共模噪聲，同時可以實現(xiàn)較大的輸出功率，典型的數(shù)字功放H 橋式輸出電路如圖5-19所示，由四個開關(guān)與輸出濾波器組成。K1-K2、 K3-K4 分別是橋的兩個橋臂，通過控制各個開關(guān)的閉合與斷開，產(chǎn)生PWM1 與PWM2 兩個信號，不同的開關(guān)控制規(guī)律決定PWM1 與PWM2 的波形不同，但無論何時，每個橋臂的上下兩只開關(guān)不能同時導(dǎo)通，以防止直通大電流的產(chǎn)生；由L、C組成的低通率波器濾除PWM 中的高頻

75、成分，還原出原始音頻信號。根據(jù)開關(guān)控制規(guī)律的不同，橋式電路的PWM 輸出可分為雙極性PWM 與單極性PWM。</p><p>　　圖5-19 H 橋式輸出電路</p><p><b>　　②．雙極性PWM</b></p><p>　　H 橋式電路輸出的兩路PWM波是180反向的，圖5-20所示為50%占空比，輸入為零的情況。PWM1與PWM2

76、都是低電平為零，高電平為VCC 的方波，PWM1 與PWM2 形成的差動信號則是低電平為-VCC，高電平為VCC 的方波。如果PWM中包含音頻信息，則輸出PWM 波的占空比發(fā)生變化，占空比變化的雙極性PWM 波與濾波后波形如圖5-21所示。</p><p>　　圖5-20 雙極性PWM 占空比為50%波形 圖5-21 雙極性PWM 占空比變化與濾波后波形</p><p><

77、b>　?、郏畣螛O性PWM</b></p><p>　　H橋式電路輸出的兩路PWM 波是同相的，圖5-22所示為50%占空比，輸入為零的情況，PWM1與PWM2 的相位差為零。PWM1與PWM2 都是低電平為零，高電平為VCC 的方波，PWM1與PWM2 形成的差動信號在50%占空比情況下為零，如果PWM 中包含音頻信息，PWM 占空比在0 與100%之間發(fā)生變化時，PWM1 與PWM2 的相位&

78、lt;180，PWM1 與PWM2 形成的差動信號則是低電平為-VCC，高電平為零，或者低電平為零，高電平為VCC 的方波，如圖5-23所示。</p><p>　　圖5-22 單極性PWM 占空比為50%波形 圖5-23 單極性PWM 占空比變化與濾波后波形</p><p>　　④． LC 濾波特性</p><p>　　為了從PWM 波中恢復(fù)音頻信號，要采用

79、LC元件對PWM 進行濾波，LC 參數(shù)要根據(jù)負載阻抗、PWM頻率、音頻帶寬、高頻噪聲等因素進行設(shè)計。對LC 濾波器設(shè)計來說，上述幾方面要求是相互矛盾：選擇L、C 的參數(shù)較小，可以得到寬頻帶平直的響應(yīng)曲線，但濾波后殘余的PWM 高頻噪聲幅度較大，高頻噪聲超出音頻范圍，對聽感不會造成太大影響，但導(dǎo)致嚴重的電磁干擾；如果選擇L、C 的參數(shù)較大，可以將高頻噪聲降至較低水平，但頻響范圍變小，頻響曲線不平坦，在特定頻率段會造成很大幅度的電壓抬升。&

80、lt;/p><p>　　H 橋式電路輸出PWM波的極性不同，會對濾波器輸出產(chǎn)生影響。雙極性PWM與單極性PWM經(jīng)LC 濾波后的波形對比如圖5-24～圖5-26所示。相關(guān)參數(shù)如下：PWM 頻率：350～400kHz；音頻信號：1kHz；負載：8Ω純電阻；L1、L2：15μH；C1、C2 ：0.33μF。</p><p>　　(a)雙極性PWM

81、 (b) 單極性PWM</p><p>　　圖5-24 輸出削波之前</p><p>　　(a)雙極性PWM (b) 單極性PWM</p><p>　　圖5-25 輸出中等幅度</p><p>　　(a)雙極性PWM (b) 單

82、極性PWM</p><p>　　圖5-26 殘余高頻噪聲</p><p>　　從以上各圖可以看出，在相同條件下，單極性PWM比雙極性PWM波形清晰，高頻包絡(luò)成分少，高頻噪聲僅有雙極性PWM 的1/16。</p><p>　　在阻抗分別為2Ω、4Ω、8Ω、16Ω、32Ω、空載等情況下，雙極性PWM與單極性PWM經(jīng)LC濾波后的20～20kHz 幅頻特性曲線對比如圖5-2

83、7。所示從中可以看出對于4Ω以上阻抗，采用單極性PWM可以得到更平直的幅頻特性，對于低阻抗驅(qū)動，雙極性PWM更有優(yōu)勢。</p><p>　　(a)雙極性PWM (b) 單極性PWM</p><p>　　圖5-27 不同阻抗幅頻特性曲線</p><p><b>　?、荩?總結(jié)</b></p&

84、gt;<p>　　數(shù)字功放H 橋式輸出電路的兩類PWM可分為雙極性與單極性；單極性PWM具有高頻噪聲低，電磁干擾小，4Ω以上阻抗幅頻特性平直，10kHz～20kHz 輸出電壓抬升小等優(yōu)點，所反映出的負載阻抗變化敏感性小，特別適合負載變化較大的應(yīng)用場合，如公共廣播定壓輸出功放；在較低負載阻抗時，采用雙極性PWM 可以得到更大范圍的頻率響應(yīng)。</p><p>　?、蓿?H橋互補對稱輸出電路</p&

85、gt;<p>　　對VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。 因輸出功率稍大于l w，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動的對管，IRFDl20和IRFD9120 VMOS對管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實際電路如圖5-28所示。 互補PWM開關(guān)驅(qū)動信號交替開啟Q5和Q8或Q6和Q7，分別經(jīng)兩個4階Butterworth濾波器濾波后推動喇叭工作。</p><

86、;p>　　圖5-28 H橋互補對稱輸出電路</p><p>　　5. 2.5 低通濾波</p><p><b>　　1．濾波器的選擇</b></p><p>　　方案一：采用兩個相同的二階Butterworth低通濾波器。 缺點是負載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。</p><p>　　方案二：采用兩個相同的四階B

87、utterworth低通濾波器，在保證20kHz頻帶的前提下使負載上的高額載波電壓進一步得到衰減。</p><p><b>　　2． 低通濾波</b></p><p>　　采用開關(guān)放大技術(shù)的數(shù)字功放工作原理與模擬功放完全不同，其開關(guān)功率級輸出的高頻PWM信號中包含有音頻信號。PWM 頻率為幾百kHz，比音頻信號帶寬20~20kHz 大得多，為了從PWM 開關(guān)信號中恢復(fù)

88、出音頻信號，通常采用低通濾波器（LPF），低通濾波器頻率特性如圖5-29所示。</p><p>　　圖5-29 低通濾波器頻率特性</p><p>　　圖5-30與圖5-31為PWM 濾波前后的時域與頻域分析。從圖中可以看出，PWM 經(jīng)過低通濾波器后高頻分量大大減小，音頻信號得到恢復(fù)，但總會殘留部分高頻開關(guān)成分。</p><p>　　圖5-30 PWM 濾波前后的時

89、域波形 圖5-31 PWM 濾波前后的頻譜分布</p><p>　　根據(jù)組成低通濾波器的元件與結(jié)構(gòu)不同，低通濾波效果與應(yīng)用方面不盡相同。圖5-32所示為數(shù)字功放中低通濾波器可能出現(xiàn)的位置及作用。低通濾波器按照組成元件通?？煞譃長C、RC型，RC又可分為無源與有源型，低通濾波器的比較如表5-2所示</p><p>　　圖5-32 數(shù)字功放中低通濾波器位置及作用</p>

90、<p>　　表5-2 低通濾波器的比較</p><p>　　以二階LC低通濾波器為例，其拉普拉斯變換為：</p><p>　　在LC 低通濾波器中，負載電阻R是影響Q值的一個變量，負載電阻的變化將影響頻率響應(yīng)曲線，圖5-33所示為負載電阻為4 歐姆所設(shè)計的LC 參數(shù)，頻響曲線平坦，對于8 歐姆與2 歐姆負載，在20kHz 處的幅度分別有2db 的抬升與-4dB 的下降。<

91、/p><p>　　圖5-33 不同負載時LC 低通濾波器頻率響應(yīng)</p><p>　　6 MAX9703/MAX9704單聲道/立體聲D類音頻功率放大器</p><p><b>　　6.1 概述</b></p><p>　　MAX9703/MAX9704單聲道/立體聲D類音頻功率放大器，以D類效率提供AB類放大器的性能，節(jié)省

92、電路板空間，而且無需使用大型的散熱裝置。這兩款器件采用了D類結(jié)構(gòu)，提供15W功率時效率高達78%。受專利保護的調(diào)制與開關(guān)方案可以省去傳統(tǒng)D類放大器的輸出濾波器。</p><p>　　MAX9703/MAX9704提供兩種調(diào)制方案：固定頻率模式(FFM)與擴頻模式(SSM)，SSM模式降低了調(diào)制頻率產(chǎn)生的EMI輻射。本器件采用全差分結(jié)構(gòu)、全橋輸出，并具有全面的雜音抑制。</p><p>　　

93、MAX9703/MAX9704具有80dB的高PSRR，0.07%的低THD+N，以及超過95dB的SNR。短路與熱過載保護可防止器件在故障條件下?lián)p壞。MAX9703 提供32 引腳TQFN(5mm x 5mm x 0.8mm)封裝，MAX9704采用32引腳TQFN(7mm x 7mm x 0.8mm)封裝。兩款器件都工作在-40°C至+85°C擴展級溫度范圍內(nèi)。</p><p>　　MAX

94、9703/MAX9704的應(yīng)用與：LCD TV 、LCD監(jiān)視器、臺式PC、LCD放映機、免提式車載電話適配器、汽車電子。</p><p>　　6.2 MAX9703/MAX9704詳細說明</p><p>　　MAX9703/MAX9704無需濾波的D類音頻功率放大器對開關(guān)模式放大技術(shù)作了一些重要改進。MAX9703是單聲道放大器，MAX9704是立體聲放大器。這些器件以D類效率提供AB類

95、放大器的性能，占用最小的電路板空間。獨特的無濾波調(diào)制方案以及擴頻切換模式構(gòu)成了一個緊湊、靈活、低噪聲、高效率的音頻功率放大器。差分輸入結(jié)構(gòu)降低了共模噪聲的拾取，可以不加輸入耦合電容。該器件也可以配置為單端輸入放大器。</p><p>　　比較器監(jiān)視器件輸入，并將互補輸入電壓與三角波進行比較。當三角波輸入幅度超出相應(yīng)的比較器輸入電壓時，比較器的輸出翻轉(zhuǎn)。</p><p>　　6.2.1 工作

96、效率</p><p>　　D類放大器的效率取決于輸出級晶體管的工作時間。在D類放大器中，輸出晶體管用作電流調(diào)整開關(guān)，消耗的額外功率可以忽略不計。所有與D類輸出級相關(guān)的功耗主要是由MOSFET導(dǎo)通電阻與消耗靜態(tài)電流產(chǎn)生的I2R損耗決定。</p><p>　　理論上線性放大器的最佳效率為78%，不過該效率僅出現(xiàn)在輸出功率的峰值處。標準工作電平(典型的音頻信號重建電平)下，效率會下降到30%以下

97、，但在相同條件下，MAX9704仍可保持78%以上的效率(圖6-1)。</p><p>　　圖6-1 MAX9704 效率與AB 類效率的對比</p><p>　　6.2.2 應(yīng)用信息</p><p>　　1. 無濾波工作

98、 </p><p>　　傳統(tǒng)的D類放大器需要輸出濾波器，從放大器的PWM輸出恢復(fù)音頻信號。濾波器既增加了成本，也增大了放大器的尺寸，并會降低效率。傳統(tǒng)的PWM結(jié)構(gòu)采用較大的差分輸出擺幅(2 x VDD峰-峰值)，造成紋波電流過大。濾波元件的任何寄生電阻都會導(dǎo)致功率損耗、降低效率。</p><

99、;p>　　MAX9703/MAX9704不需要輸出濾波器，而是利用揚聲器線圈自身的電感和揚聲器與人耳的天然濾波作用，從方波輸出中恢復(fù)音頻成分。由于省去了輸出濾波器，可以獲得更小、更便宜、效率更高的方案。</p><p>　　由于MAX9703/MAX9704的輸出頻率遠遠超出了大多數(shù)揚聲器的帶寬，由方波頻率引起的音頻線圈的偏移非常小。盡管這種偏移很小，若揚聲器未經(jīng)專門設(shè)計，能夠處理額外功率的話，還是可能被損

100、壞。為獲得最佳效果，可以用一個等效串聯(lián)電感大于30µH的揚聲器。典型的8?揚聲器等效串聯(lián)電感在30µH至100µH范圍內(nèi)。揚聲器電感大于60µH時可以獲得最佳效率。</p><p>　　2. 內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出(VREG)</p><p>　　MAX9703/MAX9704內(nèi)部提供一個6V穩(wěn)壓輸出(VREG)。MAX9703/MAX9704的REG輸出為

101、MAX9703/MAX9704的邏輯控制引腳(G_, FS_)提供邏輯高電平電壓，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計，并降低了系統(tǒng)成本。關(guān)斷時，VREG不能提供邏輯高電平電壓。不要用VREG作為系統(tǒng)周圍元件的6V電源。用6.3V、0.01µF電容將REG旁路至GND。</p><p><b>　　3. 輸出失調(diào)</b></p><p>　　與AB類放大器不同的是，D類放大器

102、在加上負載后其輸出失調(diào)電壓不會明顯增大靜態(tài)電流。這是D類放大器功率轉(zhuǎn)換的結(jié)果。例如，在AB類器件中，8mV的直流失調(diào)電壓通過8?負載會額外消耗1mA的電流。而對D類器件來說，8mV的直流失調(diào)電壓通過8?負載時僅消耗8µW的額外功率。正是由于D類放大器的高效率，器件吸取的額外靜態(tài)電流僅為：8µW/(VDD/100 x η)，只有幾個微安。</p><p><b>　　4. 增益選擇&l

103、t;/b></p><p>　　MAX9703/MAX9704可由內(nèi)部設(shè)置邏輯編程增益，通過G1、G2邏輯輸入設(shè)置MAX9703/MAX9704揚聲器放大器的增益(表6-1)。</p><p><b>　　表6-1 增益設(shè)置</b></p><p>　　7 D類功放的發(fā)展與技術(shù)展望</p><p>　　7.1 D類

104、功放的不足</p><p>　　（1）晶體管在接通和關(guān)閉的過程中，接地點的電位會出現(xiàn)波動，從而增大噪音 </p><p>　?。?）功率輸出電路是用兩只功率晶體管接成的橋路，一只功率晶體管導(dǎo)通，另外一只關(guān)閉，這之間存在死區(qū)。</p><p>　?。?）輸出功率晶體管并不是純粹的開關(guān)，也不是匹配得很好，會帶來畸變。 </p><p>　?。?

105、）功率輸出電路和揚聲器之間用一只輸出低通濾波器把音頻以外的成分濾除，讓音頻信號進入揚聲器，但不可能徹底濾除脈寬調(diào)制的載波，這也是造成失真的一個因素。</p><p>　　7.2 D類功放的最新發(fā)展——T類功率放大器</p><p>　　針對D類功率放大器的缺陷，美國Tripath公司發(fā)明了一種稱作“Digital Power ProcessingTM（DPPTM）”的數(shù)字功率處理技術(shù)，它是

106、T類功放的核心。T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制D類功放相同，功率晶體管也是工作在開關(guān)狀態(tài)，功率和D類功放相當。它和D類功放不同的是，它不是使用脈寬調(diào)制的方法。它把通信技術(shù)中處理小信號的適應(yīng)算法及預(yù)測算法用到這里。輸入的音頻信號和進入揚聲器的電流經(jīng)過DPPTM數(shù)字處理用于控制功率晶體管的導(dǎo)通關(guān)閉，因而不存在脈寬調(diào)制D類功放的那些缺陷。此外，T類功放的動態(tài)范圍更寬，頻率響應(yīng)平坦，群延遲小。DDPTM的出現(xiàn)，把數(shù)字時代的功率放大器推到

107、一個新的高度。 </p><p>　　在T類功率放大器中，功率晶體管的切換頻率不是固定的（在D類功率放大器中是固定的），無用分量的功率譜不像D類功率放大器那樣是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在很寬的頻帶上，例如從1.5MHz至2.5MHz的頻帶上，它的波形和擴譜技術(shù)的波形相似，因此，功率密度并不高，從而降低了對輸出低通濾波器的要求，同時它產(chǎn)生的EMI也不像D類功率放大器那么嚴重。</p>&l

108、t;p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　幾十年來，A類、B類、AB類音頻功率放大器在音頻領(lǐng)域中一直占據(jù)主導(dǎo)地位，其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個過程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過程；電路組成從單管到推挽過程；電路形成從變壓器輸出到OTL、OCL、BTL形式過程。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點是效率太低。全球音視頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求

109、，迫使人們盡快開發(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)備相連接的特點。D類音頻功率放大器是PWM型功率放大器，符合上述要求。近幾年來，國際上加緊了對D類音頻功率放大器的研究與開發(fā)，并取得了一定的進展，幾家著名的研究機構(gòu)及公司已經(jīng)試驗性地向市場提供了D類音頻功率放大器評估模塊及技術(shù)。這一技術(shù)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(xué)、電子工業(yè)、商業(yè)界的特別關(guān)注，現(xiàn)在這一前沿的