基于D类的数字功率放大器设计毕业设计论文.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 37 页 共 37 页摘 要音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分，并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地，音频功放的需求日益增加，因此研究音频功率放大器具有非常重要的意义。随着科学技术的不断发展，尤其是集成电路技术的发展，高速、大功率器件已越来越多，移动电话、数字媒体技术、平面电视、便携式数字产品等电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，人们对音频功率放大器的要求更加趋向于高效、节能和小型化。因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效、节能、发热量少、体积小、便于集成。传统的模拟音频功率放大器虽然具有很高的保真度，但是却存在功耗高、效率低等致命缺点，而且发热量大，不易解决散热问题。而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，所以功放的效率很高。与传统的AB类音频功率放大器相比，数字D类音频功放最大的优势在于具有高效率，实际转换效率能达到80以上，理论转换效率可以达到100%。因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积。在这个能源节约的时代，凭借其高效率、低功耗的特点，数字D类音频功放正逐渐取代传统的模拟音频功率放大器，并越来越受到人们的重视。本文论述了各种音频功率放大器的工作原理以及各自的性能特点，重点阐述了D类音频功率放大器的工作原理和脉宽调制工作原理，并在此基础上设计一款大功率输出、低功耗数字音频D类功率放大器。关键词：音频功率放大器；D类；脉宽调制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 audio 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 product 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, 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 itself 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 efficiency 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 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 power consumption Class D digital audio amplifiers.Key words：Audio power amplifier；D class；pulse width modulation目 录引言41 绪论51.1 课题背景51.2 国内外研究现状62 音响的相关知识62.1 声音的基本特性62.2 放大器的技术指标62.3 功率放大器的分类72.3.1A类功放72.3.2B类功放92.3.3AB类功放112.3.4C类功放132.3.5D类功放142.3.6E类功放142.3.7F类功放152.3.8功放小结153 D类功率放大器原理153.1 D类放大器的特点153.2 D类功率放大器的性能指标173.3 传统D类功率放大器的工作原理194 电路系统方案设计224.1 电路方案论证224.2 主要电路工作原理设计与分析244.2.1脉宽调制电路254.2.2前置放大器电路264.2.3开关放大电路274.2.4低通滤波电路284.2.5音量设置及显示电路284.3 系统调试及测量315 结论32谢 辞33参考文献34附 录35引言随着现代电子技术的不断发展，集成电路被广泛应用于各类电子电路中。随着近十几年来半导体技术的进步，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。音频功率放大电路是原理上最为基本、应用上最为广泛的功率放大电路。目前大部分音响系统中的功放都是模拟类型，传统的模拟功放按放大器的工作状态可分为：A类、B类、AB类等形式。A类、AB类功放是音响系统中最为常用的功放。传统类音频放大器的一个共同缺点是效率很低，A类音频放大器的理论效率是25，实际效率大约为15-20；B类音频放大器的理论最大效率是78.5；AB类音频放大器的理论效率75，实际效率在50-70之间。无论A类，B类还是AB类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言、音乐时平均工作效率只有30左右。音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。在半导体设计潮流走向轻薄短小之际，不仅半导体组件本身的封装要小，整个模块的尺寸也变成决定系统客户接受与否的关键规格。全球音视频领域的数字化浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、易于与数字化设备接口的音频功率放大器。D类数字音频放大器就是在这样的背景下兴起的。D类数字音频功率放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通断音频功率放大器，也称为开关放大器。由于其开关管工作于开关状态，因此具有高效率、低功耗等优点。目前，D类音频功率放大器在移动电话、平面电视、LCD显示器以及各种以电池供电的便携式游戏设备等消费类电子产品中已获得广泛的应用。在手机、PDA、MP3Player等应用中，以D类取代AB类放大器的趋势便已相当明显。数字音频功放的概念早在20世纪60年代已被提出，但由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1983年，MBSandier等学者提出了D类放大的PCM数字音频功放的基本结构，主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM。1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字音频功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器一数字音频功率放大器进入了工程应用领域，并获得了世界同行的广泛认可，市场日益扩大，数字音频功率放大器已经成为近年来的研究热点之一。1 绪论1.1 课题背景随着半导体及微电子制造技术的不断发展，高速、大功率器件已越来越多，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，人们对音频功率放大器的要求更加趋向于高效、节能和小型化。因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效、节能、发热量少、体积小、便于集成。普通功放发热量大，不易解决散热问题。而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，功放的效率就高，可达到90以上，因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积。所以D类音频功率放大器越来越受到人们的重视。高效率D类音频放大器正越来越多地被用在移动电话、智能电话、PDA及其他类似便携式应用中，以取代AB类放大器。采用D类放大器可延长电池供电终端产品的工作时间，并产生更少的热量，从而解决设备的热设计问题。在手机、DVD播放机、笔记本电脑及游戏机等便携式设备中集成音频，已经发展到这样一个程度，即设计人员正面临着如下考验：一方面需要将MP3及流媒体等越来越多的特性集成到上述终端设备中，另一方面又必须保持或减少整体功率预算。这导致采用很多新的产品技术，例如采用D类音频功率放大器。这些放大器可使设计人员节省电池电量，因为D类放大器比传统AB类(或线性)放大器具有更高的效率。近年来国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子、商业界的特别关注。不久的将来，D类音频功率放大器必将取代传统的模拟音频功率放大器。D类功率放大器的显著特点是其输出级的工作状态不是完全导通，就是完全截止，输出器件功耗大大降低。D类功率放大器的输出级只是瞬间通过一下线性区域，而大部分时间不是停留在饱和区就是截止区，上管饱和则下管截止，或者相反。输出信号比输入信号变得更正或者更负，也就是输入信号被大大地放大了。在常规的晶体管放大器中，输出级上的晶体管需要提供时刻连续的输出电流。音响系统可以采用的多种实现形式包括A类、AB类和B类等，与D类功率放大器相比，这些电路中即使是效率最高的线性输出级，其功率的耗散也很大。这一差异反衬出，D类功率放大器在许多应用方面具有显著的优势，因为其较小的功率耗散意味着更低的发热量、电路板空间及成本的节省和便携式系统的电池工作时间的延长等。早些时候晶体管、集成电路的开关特性差，不能满足D类音频功率放大器的技术要求，因此对D类音频功率放大器的研究开发有相当的困难，研究开发仅停留在理论上。随着金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的出现，其开关特性很好，工作效率高，开关速度快，管压降小，功耗低，适合用于D类音频功率放大器的研究开发。近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的MOSFET也已用得很普遍，该管开关特性、导通饱和压降和截止漏电流特性都大大改善，应用到音频开关放大器上，能大大提高其可靠性和保真度。故D类放大器在便携式设备上的应用具有很大的优势，受到许多开发商的青睐。1.2 国内外研究现状有关D类功放的理论提出已有近半个世纪。在1970年，MOSFET出现后才投入实际性开发。早期的主要缺点是失真度高，后来在控制芯片和功率器件模块化后性能有所提高，才得以投放市场。全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频设备节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。它应该具有工作效率高，便于与其他数字设备相连接的特点。D类音频功率放大器符合上述要求。历史上出现过三代D类放大器设计：第一代是由托卡塔设计的TacTMillennium，证实了D类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM(脉冲宽度调制)信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器，从而获得了一定的应用。第三代是最近一段时间，现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善，他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。最后还不能忽视新的架构技术。2 音响的相关知识 2.1 声音的基本特性音量：它与声波的物理量“振幅"有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听音的主观感觉。音调：是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调高低与声音的物理量“频率"对应。人耳的听觉范围：20Hz到20KHz称之为可听声音，低与20Hz称为次声，高于20KHZ的称为超声，人耳对3K左右的声音最敏感。音色：又叫音品和音质，他是由声音的波形决定的，电子管功放的偶次谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳，清丽。2.2 放大器的技术指标（1）额定功率音响放大器输出失真度小于某一数值的最大功率称为额定功率，表达式：。为负载两端的最大不失真电压，为额定负载阻抗。测量条件如下：信号发生器输出频率为1KHz，电压=20mV正弦信号。功率放大器的输出端接额定负载电阻(代替扬声器)，输入端接，逐渐增大输入电压，直到的波形刚好不出现谐波失真(r<1)，此时对应的输出电压为最大输出电压。测量后应迅速减小，以免损坏功率放大器。（2）频率响应放大器的电压增益对于中音频(1KHz)的电压增益下降3dB时所对应的低音音频和高音音频称为放大器的频率响应。测量条件如下：调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的一半，输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率从20Hz到20KHz变化，测出负载电阻上对应的输出电压。（3）输入灵敏度使音响放大器输入额定功率时所需要的输入电压(有效值)称为灵敏度。（4）噪声电压使输入为零时，输出负载上的电压称为噪声电压。测量：使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载的电压波形，用交流表来测量其有效值。2.3 功率放大器的分类2.3.1A类功放A类放大器也称为甲类放大器，静态工作点选在负载线的中间，在输入信号的整个周期内电流连续地流过所有输出器件，工作期间不产生开关失真和交越失真，处于良好的线性工作状态。但电路效率较低，功率输出管的发热量很大，电路的安全性和可靠性设计存在问题。在理想情况下，A类放大电路的效率最高只能达到50。当然，这类放大器只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种优质的线性放大器，具有良好的声音表现能力。A类放大器结构可称为压控电流源模型(VCCS：Voltage Controlled Current Source)，本质上是一个单独的源极跟随器。简化电路图如图2-1所示。图2-1 A类放大器原理图A类放大器的工作偏置点如图2-2所示，在一个完整的信号周期中，A类放大器的功率晶体管一直处于线性放大状态，即导通角为=180°(在一个信号周期内，导通角度的一半定义为导通角)。A类放大器的偏置电流大于输入电流，Q点(静态偏置点)处于负载线的中心。输出负载的平均功率为：电源输入功率为：工作效率为：图2-2 A类放大器的固定偏置点由上式可见，当且时，A类放大器具有最大工作效率，为25。由于A类放大器效率较低，在实际应用中，当输入信号功率大于1W时，一般不采用A类放大器。A类放大器的优点是线性度最好，失真最小。A类功放输出级中两个(或两组)晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无信号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流电在最大信号情况下流入负载。当无信号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当信号趋向正极时，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。A类功放的工作方式具有最佳的线性度，每个输出晶体管均放大信号全波，完全不存在交越失真(Switching Distortion)，即使不使用负反馈，它的开环失真仍十分低，因此被称为声音最理想的放大线路设计。但这种设计有利有弊，A类功放最大的缺点是效率低，因为无信号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。当信号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。A类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。A类功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。所以A类功放的体积和重量都比AB类大，这使得制造成本增加，售价也较贵。一般而言，A类功放的售价约为同等功率AB类功放的两倍或更多。A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，且有较大的非线性失真。由于效率比较低，现在设计基本上不再使用。2.3.2B类功放B类放大器也称为乙类放大器，其中功率器件导通时间不再是输入信号的整个周期，而是半个周期。在没有信号输入时，功率损失为零。工作原理就是把A类放大器静态工作点Q下移，使输入信号为零时电源输出的功率也等于零；输入信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给功率和管耗都随着输出功率的大小而改变，也就改善了A类放大时效率低的状况，完全输出理论值为785。其简化电路如图2-3所示。图2-3 B类放大器原理图B类放大器是一种互补式输出结构，两个晶体管不能同时工作，每个晶体管工作半个周期，导通角=90°，其工作偏置点如图2-4所示。设输出信号为，可得输出负载的平均功率为：电源输入功率为：图2-4 B类放大器的固定偏置点工作效率为： 由上式子可见，当时，B类放大器具有最大工作效率，为：可见，B类放大器的最大工作效率大于A类放大器，其晶体管的静态偏置电流为零。B类放大器拓扑结构没有DC偏置电流，所以功耗大大减少。其输出晶体管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流。由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。B类功放的工作方式是当无信号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。当有信号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此造成非线性。但是B类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差(交越失真)，由于在信号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。B类功放的效率平均约为75，产生的热量较A类功放低，容许使用较小的散热器。2.3.3AB类功放与前两类功放相比，AB类功放可以说是在性能上的妥协。AB类放大器是A类放大器和B类放大器的组合折衷，它也使用DC偏置电流，但它远小于单纯的A类放大器。小的DC偏置电流足以防止交越失真，从而能提供良好的音质。其功耗介于A类放大器和B类放大器之间，但通常更接近于B类放大器。晶体管工作时间大于半个周期但小于一个周期，即导通角在90°到180°之间。大部分时间只有一个晶体管工作，在零交越点时，两个晶体管都工作。AB类放大器的最大优点是改善了B类放大器的非线性，消除了交越失真。图2-5 AB类放大器原理图图2-6 AB类放大器的固定偏置点如图2-5所示，AB类放大器通过两个偏置电压来避免交越失真。由于这一优点，AB类放大器在传统的音频放大器中得到了广泛应用。工作偏置点如图2-6所示，当输入信号为零时，由于此时两个晶体管仍然处于导通状态，因此每一个晶体管的功率损耗均大于B类放大器，即AB类放大器的最大工作效率小于B类放大器，但大于A类放大器。与B类放大器电路类似，AB类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。遗憾的是，即使是精心设计的AB类放大器也有很大的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。由于漏源极之间的电压降很大，所以会产生很大的瞬时功耗IDSVDS。AB类功放通常有两个偏压，在无信号时也有少量电流通过输出晶体管。它在信号小时用A类工作模式，获得最佳线性，当信号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。普通机10瓦的AB类功放大约在5瓦以内用A类工作，由于聆听音乐时所需要的功率只有几瓦，因此AB类功放在大部分时间是用A类功放工作模式，只有在出现音乐瞬态强音时才转为B类。这种设计可以获得优良的音质并提高效率减少热量，是一种颇为合乎逻辑的设计。有些AB类功放将偏置电流调得很高，令其在更宽的功率范围内以A类工作，使声音接近纯A类机，但产生的热量也相对增加。2.3.4C类功放C类功放的原理图如图2-7所示，是负载，电感L和电容C是匹配网络，它们与负载共同组成并联谐振回路。通过调节电容C，使回路谐振在输入信号频率上。图2-7 C类放大器原理图在C类功放中，栅极的偏压使得晶体管在小于一半的时间内导通。因此，漏极电流是由周期性的一串脉冲构成的。当驱动信号足够强时，晶体管会进入饱和导通状态，输出与输入信号同频率的脉冲信号，晶体管以信号频率对电源进行导通和关断，输出信号相对于输入信号会产生严重的失真，因为包含了输入信号的很多谐波成分，必须通过滤波器从输出信号中分离出输入频率；另一方面，C类功率放大器能通过调整导通角，来获得所需的谐波成分。C类功放的实际效率可以达到60-80。其工作偏置点如图2-8所示。图2-8 C类放大器的固定偏置点2.3.5D类功放通过控制开关单元的ON/OFF来驱动扬声器的放大器称为D类放大器。数字功率放大器分为两种类型。第一类的数字式功率放大器是在同一机箱内装以数字/模拟转换器、音量控制电路以及普通的模拟功率放大器。此类数字式功率放大器在由数字音源输入数字信号后，即由其数字/模拟转换器将信号变换为模拟信号，再由模拟功率放大器对模拟信号进行放大，这类放大器的控制采用数字电路，可进行遥控，但受数字/模拟转换器精度所限，音质还不够完美。这类功率放大器称为准数字放大器或数控放大器。第二种数字功率放大器为真正意义上的数字型功率放大器。这种放大器直接从数字音频数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或D类放大器。D类功放的放大晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接，电流流通但晶体管无电压，因此无功率消耗。当输出晶体管关闭时，全部电源供应电压即出现在晶体管上，但没有电流，因此也不消耗功率，故理论上的效率为百分之百。D类功放最大的优点是效率最高，供电器可以缩小，几乎不产生热量，因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。音频功率放大器的用途是在发声输出元件上复现输入音频信号，提供所需要的音量和功率水平一保证复现的忠实性、高效率以及低失真度。在这一任务面前，D类放大器表现出多方面的优势。2.3.6E类功放采用晶体管作为开关有可能提供大为改善的效率，但由于现实开关的不完全理想使得在实际中实现这一可能性并不总是那么容易。相关的功耗将使效率降低。为了防止总的损耗，开关相对于工作频率必须非常快。当载波频率很高时，满足这一要求的困难将会更大。E类放大器采用高阶电抗网络提供足够的自由度来改变开关电压波形，使它在开关导通时的值和斜率均为零，从而降低了开关损耗。但它对于关断过渡没有任何作用，而关断过渡的边沿常常是更成问题的。并且E类放大器具有很差的归一化功率传递能力，因此尽管这一类型的放大器可能有很高的效率，但它却要求采用更大尺寸的器件把一定数量的功率传送到负载。2.3.7F类功放F类功率放大器利用电抗终端阻抗的特性可以对晶体管漏端电压或电流中的谐波成分进行控制，归整晶体管漏端的电压或电流波形，使得它们没有重叠区，减小开关的损耗，提高功率放大器的效率。2.3.8功放小结偏置电压、输入信号驱动方式和输出网络共同决定了功率放大器的类型。对于小输入信号，根据导通角的不同，功率放大器的工作类型可为A、AB、B和C类，其中导通角由晶体管的阈值电压和偏置电压决定，可通过减小导通角来提高功率放大器的效率，但输出功率将同时减小。对于大输入驱动信号，器件工作在开关状态下，其高效率以线性度为代价，如D类、E类和F类功率放大器。A类功率放大器提供了很好的线性度，但效率很低；B类和AB类功率放大器通过减少一个周期中晶体管工作的时间来提高效率，同时保持了线性调制的可能性；D类功率放大器提供的归一化功率传递能力近似于0.16，但由于开关速度不是无穷大，有较大的切换功耗；E类功率放大器解决了在导通过渡中的功耗问题，但在关断过渡中具有更大的功耗，并且具有极差的归一化功率传递能力；F类功率放大器的缺点是需要较复杂的电抗网络。C类放大器以线性度为代价可以达到很高的效率，可应用在恒包络调制的射频系统中。各类功率放大器的主要性能指标如表2-1所示。表2-1 各类放大器性能比较放大器种类保真度最大效率模拟A极好25%AB好75%B一般78.5%开关D不好100%E不好-F不好-3 D类功率放大器原理3.1 D类放大器的特点(1)高效率。常见的模拟放大器的效率在50左右，剩下的主要作为热量被消耗。而D类放大器的效率可达到80-90，不仅不浪费能量，有效地利用电源，还能得到较大的功率输出。(2)低发热。以前的高发热模拟放大器，封装大，需要大的散热板，因此需要较大的空间。而D类放大器发热少，能作小型封装。同时，不用散热板，从而能节省空间。(3)低消耗电力。D类放大器效率高发热少，能减少不必要的功率消耗。在使用电池和干电池供电的应用中，可保持长时间持续供电。因为当输出晶体管在不导通时具有零电流，并且在导通时具有很低的VDS，因而产生较小的功耗IDSVDS。和AB类音频放大器相反，D类音频放大器在一个给定时间内向负载提供一个固定量的功率。D类放大器产生一个可使输出电压在电源轨之间切换的PWM信号，从而能在向负载提供驱动电流时仅在输出晶体管上产生很小的压降。D类放大器H桥中的理想输出晶体管，可拥有等于零的(“开”态漏-源电阻，即导通电阻)及无穷大的(“关”态漏-源电阻，即关断电阻)。图3-1 D类放大器简化H桥如图3-1所示，电流从电源通过第一个状态为“开”的MOSFET，再流过负载，最后流过后一个状态为“开”的MOSFET。由于两个MOSFET均完全饱和，为“开”态，因此在其上只有很小的压降。分压电路由,及输出负载或扬声器组成，MOSFET的极小，因此它上面几乎没有什么压降；相反，“关”态MOSFET的值却很大，因此可忽略通过它们的电流。由此可见，D类放大器具有很高的效率，因为和AB类放大器相比，只有极少量的功率被输出MOSFET消耗掉。由于D类音频功率放大器只工作在“0、l”状态，其功率开关器件要么导通要么截止，不在“放大区”停留，因此功耗极小、效率极高，效率高于96。所以D类音频功率放大器是高效、节能、数字化的音频功率放大器。D类放大器与开关模式电源的工作方式相似，其中输出MOSFET要么是完全启动(饱和)，要么是完全关闭(切断)的。因而可以减小晶体管的功率损耗，增加放大器的效率。但在开关时间和非开关时间中总会有一定的功率损失(开关损耗和传导损耗)。出现在开关时间内的损耗是由于MOSFET的上升时间和下降时间大于零。出现这种情况有几个原因。第一，输出晶体管的开关并非即时完成。从漏极到源极的通道需要一定的形成时间。第二，晶体管栅极电容和寄生电阻形成RC时间常量，也增加了上升时间和下降时间。在非开关时间中的功耗是由于每个MOSFET的和晶体管中的电流导致的。但总体而言，D类放大器的功率损耗是最小的，正是由于该类器件的开关特性，使放大器实现了高得多的效率。D类功放的功率损耗(简称功耗)主要由两部分组成：开关损耗和发热损耗。其中开关损耗就是输出级瞬间工作在线性区的电压电流乘积，而发热损耗是电流流过导通管时由热效应引起的，其值等于电流平方和通态电阻的乘积。在电源电压为额定值时，D类功放的效率高达80-90，对于语言和音乐信号，其实用效率为65-80，约等于AB类的2倍。3.2 D类功率放大器的性能指标音频功率放大器的三个关键指标一总谐波失真(THD)、信噪比SNR(Signal Noise Ratio)和功率效率，使D类技术相对于模拟技术具有无可争议的优势。(1)功率效率在输入信号的作用下，直流电源提供的直流功率中，一部分被转换为输出信号功率，其余部分将消耗在功率放大器中，形成功率放大器的损耗。放大器的功率效率定义为：由上式可知，越大，给定功率时所需的就越小，相应地就越小，可选用PCM小的功率管，体积小的散热器。由此可见，在输出功率一定的条件下，提高效率就意味着电源供给功率和放大器损耗功率下降。这对于降低能源损耗和成本，减小功率放大器体积具有非常重要的意义。(2)失真失真是指功放的声频信号波形发生了不应有的变化。失真有谐波失真、互调失真、交叉失真、削波失真等。谐波失真：谐波失真是由功率放大器中的非线性元件引起的，这种非线性会使声频信号产生许多新的谐波成分。其失真大小是以输出信号中所有谐波的有效值与基波电压的有效值之比的百分数来表示，谐波失真度越小越好。互调失真：当功放同时输入两种或两种以上频率的信号时，由于放大器的非线性，在输出端会产生各频率以及谐波频率之间的和频及差频信号，这些新增加的频率成分构成非线性失真。交叉失真：又称交越失真，是由于功率放大器的B类推挽放大器功放管起始导通的非线性造成的，它也是造成互调失真的原因之一。削波失真：是功放管饱和时，信号被削波，输出信号幅度不能进一步增大而引起的一种非线性失真。一个理想的D类功放没有失真，在可听波段没有噪音且效率是100。然而，实际的D类功放并不完美并且会有失真和噪音。其不完善是由于D类功放产生的失真开关波形造成的。原因有：从调制器到开关级由于分辨率限制和时间抖动而导致的PWM信号中的非线性。加在栅极驱动上的时间误差，如死区时间，开通关断时间，上升下降时间。开关器件上的不必要特征，比如限定电阻，限定开关速度或晶体二极管特性。杂散参数导致过渡边缘的振荡。由于限定的输出电阻和通过直流供电的能量的反作用而引起电源电压波动。输出LPF中的非线性。一般来讲，在栅极信号中的开关时间误差是导致非线性的主要原因。特别是死区时间严重影响了D类功放的线性度。几十纳秒少量的死区时间很容易产生1以上的THD。产生失真的机制包括调制技术或者调制器实现方案中的非线性以及为了防止直通(shoot-through)电流问题而在输出级引入的“死区”(dead time)。关于音频信号强度的信息通常是通过D类调制器输出脉冲的宽度来编码的。为了防止输出级的直通电流而引入死区，就会带来非线性的定时误差，这又会在扬声器上产生与相对于理想脉冲宽度的定时误差成正比的失真量。为了最大限度减小失真，避免直通而引入的死区时间应该尽可能缩短。其它的失真源包括输出脉冲的上升和下降时间的不匹配、输出晶体管栅极驱动电路的定时特性的不匹配以及LC低通滤波器的元件的非线性。在电源波动抑制能力方面，电源噪声几乎可以在受到很小的抑制的情况下，直接耦合到扬声器上。之所以如此，是因为输出级的晶体管将电源通过一个很小的电阻直接连接到低通滤波器上。滤波器可以抑制高频噪声，但可以通过所有音频分量，包括噪声。D类放大器输出的高频分量值得认真考虑。如果不正确理解和处理，这些分量会产生大量EMI并且干扰其它设备的工作。两种EMI需要考虑：辐射到空间的信号和通过扬声器及电源线传导的信号。D类放大器调制方案决定传导EMI和辐射EMl分量的基线谱。但是，可以使用一些板级的设计方法减少D类放大器发射的EMI，而不管其基线谱如何。一条有用的原则是将承载高频电流的环路面积减至最小，因为与EMI相关的强度与环路面积及环路与其它电路的接近程度有关。另一个要注意的地方是当输出级晶体管栅极电容开关时会产生大的瞬态电荷。通常这些电荷来自储能电容，从而形成一个包含两个电容的电流环路。通过将环路面积减至最小可降低环路中瞬态EM