畢業(yè)設(shè)計(jì)-- d類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)</p><p>　　系 部： 電氣工程系 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 應(yīng)用電子技術(shù) </p><p>　　題 目： D類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)計(jì) </p><p>　　2008年

2、 5 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字功率放大器具有模擬功率放大器不可比擬的優(yōu)勢(shì)，代表著音響技術(shù)數(shù)字化的新臺(tái)階。本系統(tǒng)以高效率D類(lèi)功率放大器為核心，輸出開(kāi)關(guān)管采用高速VMOSFET管，連接成互補(bǔ)對(duì)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(dá)到70％左右。D類(lèi)放大器包括脈寬調(diào)制器和輸出級(jí)。</p>&

3、lt;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(biāo)、放大器分類(lèi)和D類(lèi)放大器的工作原理，接著進(jìn)行了D類(lèi)功放的仿真分析，包括PWM波的形成、頻譜分析等等；然后根據(jù)D類(lèi)功放的設(shè)計(jì)要素，設(shè)計(jì)了基于MAXIM公司的10W立體聲/15W單聲道集成芯片MAX9703/MAX9704的D類(lèi)放大器，并對(duì)D類(lèi)功放的發(fā)展與技術(shù)展望進(jìn)行了描述。</p><p>　　在本文里，對(duì)放大器的各個(gè)模塊包括放大電路、比較器電路

4、、三角波產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，且達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的指標(biāo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞: D類(lèi)放大器 脈寬調(diào)制 高速開(kāi)關(guān)電路 低通濾波</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引 言5</b></p><p>　　2 音響的基礎(chǔ)知識(shí)7</

5、p><p>　　2.1 聲音的基本特性7</p><p>　　2.2 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù)7</p><p>　　2.3 放大器的技術(shù)指標(biāo)7</p><p>　　3 放大器的簡(jiǎn)介9</p><p>　　4 D類(lèi)功放的原理及仿真13</p><p>　　4.1 D類(lèi)功放的工作原理13</

6、p><p>　　4.2 D類(lèi)功放的EDA仿真15</p><p>　　4.2.1 EDA仿真概述15</p><p>　　4.2.2 D放大器原理仿真概述16</p><p>　　4.2.3 輸入信號(hào)抽樣――PWM波的形成仿真17</p><p>　　4.2.4 輸出信號(hào)PWM波的頻譜仿真分析17</p&g

7、t;<p>　　4.3 D類(lèi)功放的優(yōu)點(diǎn)18</p><p>　　5 D類(lèi)功放的硬件設(shè)計(jì)19</p><p>　　5.1 D類(lèi)功放的設(shè)計(jì)原理19</p><p>　　5.2 D類(lèi)功放的設(shè)計(jì)要素22</p><p>　　5.2.1 輸出晶體管尺寸選擇22</p><p>　　5.2.2 輸出級(jí)保護(hù)

8、22</p><p>　　5.2.3 音質(zhì)處理23</p><p>　　5.2.4 EMI處理25</p><p>　　5.2.5 LC濾波器設(shè)計(jì)26</p><p>　　5.2.6系統(tǒng)成本27</p><p>　　5.2.7 散熱注意事項(xiàng)27</p><p>　　5.3 D類(lèi)功放電路

9、分析與計(jì)算31</p><p>　　5.3.1脈寬調(diào)制器（PWM）31</p><p>　　5.3.2 前置放大器33</p><p>　　5.3.3 驅(qū)動(dòng)電路34</p><p>　　5.3.4 高速開(kāi)關(guān)電路35</p><p>　　5.3.5 低通濾波40</p><p>　　

10、6 MAX9703/MAX9704單聲道/立體聲D類(lèi)音頻功率放大器44</p><p><b>　　6.1 概述44</b></p><p>　　6.2 MAX9703/MAX9704詳細(xì)說(shuō)明44</p><p>　　6.2.1 工作效率44</p><p>　　6.2.2 應(yīng)用信息45</p>

11、<p>　　7 D類(lèi)功放的發(fā)展與技術(shù)展望47</p><p>　　7.1 D類(lèi)功放的不足47</p><p>　　7.2 D類(lèi)功放的最新發(fā)展——T類(lèi)功率放大器47</p><p><b>　　結(jié)論48</b></p><p><b>　　致謝49</b></p>&

12、lt;p><b>　　參考文獻(xiàn)50</b></p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　音響技術(shù)發(fā)展到今天，音響設(shè)備中大部分已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，如作為音源的CD、DAT、MD、DVD等，數(shù)字調(diào)音臺(tái)以及數(shù)字效果器、壓限器、激勵(lì)器等周邊設(shè)備也被一些專(zhuān)業(yè)場(chǎng)所使用。而作為音響系統(tǒng)最后環(huán)節(jié)的功率放大器和揚(yáng)聲器卻長(zhǎng)期在數(shù)字化的大

13、門(mén)外徘徊。人們對(duì)音響重放高保真度的追求是永無(wú)止境的，而模擬功率放大器經(jīng)過(guò)了幾十年發(fā)展，在技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以說(shuō)已難于有新的突破。隨著生活水平的提高，環(huán)保與能量的利用率也漸漸成為人們所關(guān)注的問(wèn)題，正因?yàn)檫@樣，人們?cè)僖淮伟涯抗馔断驍?shù)字功放。</p><p>　　其實(shí)早在20世紀(jì)60年代末期就有人著手?jǐn)?shù)字放大器的研究，為什么在這數(shù)十年以來(lái)的音響發(fā)展歷程，一直不見(jiàn)其產(chǎn)品面市？究其原因，是在數(shù)字音頻放大器的設(shè)計(jì)與制作過(guò)

14、程中，最大的難題就是高速轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。因?yàn)槠湫枰獦O高的精確度，但在如何解決脈沖調(diào)制放大在工作時(shí)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，故一直使脈沖調(diào)制型放大器在音響應(yīng)用領(lǐng)域停滯不前，舉步維艱。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(diǎn)日漸突顯，新品不斷推出，也越來(lái)越受到人們的關(guān)注了。</p><p>　　低失真，大功率，高效率是對(duì)功率放大器提出的普遍要求。模擬

15、功率放大器通過(guò)采用優(yōu)質(zhì)元件，復(fù)雜的補(bǔ)償電路，深負(fù)反饋，使失真變得很小，但大功率和高效率一直沒(méi)有很好的解決。工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的D類(lèi)功率放大器卻很容易實(shí)現(xiàn)，大功率，高效率，低失真。</p><p>　　傳統(tǒng)的音頻功放工作時(shí)，直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，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，但在較大功率情況下，仍然對(duì)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

16、器還存在以下的缺點(diǎn):</p><p>　　1.電路復(fù)雜，成本高。常常需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的補(bǔ)償電路和過(guò)流，過(guò)壓，過(guò)熱等保護(hù)電路，體積較大，電路復(fù)雜。</p><p>　　2.效率低，輸出功率不可能做的很大。</p><p>　　D類(lèi)開(kāi)關(guān)音頻功率放大器的工作基于PWM模式:將音頻信號(hào)與采樣頻率比較，經(jīng)自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號(hào)幅度成正比例變化的PWM波，然后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路

17、，加到功率MOS的柵極，控制功率器件的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)放大，將放大的PWM送入濾波器，則還原為音頻信號(hào)。</p><p>　　D類(lèi)功率放大器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，理論效率可達(dá)100%，實(shí)際的運(yùn)用也可達(dá)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寸，連續(xù)輸出功率很容易達(dá)到數(shù)百瓦。功率MOS有自保護(hù)電路，可以大大簡(jiǎn)化保護(hù)電路，而且不會(huì)引入非線性失真。</p><p>　　對(duì)于高電感

18、的揚(yáng)聲器，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，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(fèi)。而且有更高的保真度，這一點(diǎn)，在國(guó)外的SVD類(lèi)功率放大器中已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用，如:TEXAS公司的TPA2002D2。</p><p>　　近年來(lái)，國(guó)外的公司對(duì)D類(lèi)功率放大器進(jìn)行了研究和開(kāi)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(huì)產(chǎn)生一定的問(wèn)題，同時(shí)，D

19、類(lèi)功率放大器對(duì)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(shí)</b></p><p>　　2.1 聲音的基本特性</p><p>　　音量:它與聲波的物理量“振幅”有關(guān)，聲波的振幅大，人耳就感覺(jué)聲音響，音量大，反之，則聲音輕，音量小，音量的大小是人耳聽(tīng)音的主觀感覺(jué)。</p><p>　　

20、音調(diào):是人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀感覺(jué)，聲調(diào)的高低與聲音的物理量“頻率”對(duì)應(yīng)人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍:20hz～20KHz稱之為可聽(tīng)聲，低于20Hz稱為次聲，高于20KHz稱為超聲，人耳對(duì)3K～4K的聲音最敏感。</p><p>　　音色:又叫音品或音質(zhì)，它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(rùn)，晶體管功放奇次諧波多，聲音冷艷，清麗。</p><p>　　2.2 音響

21、的結(jié)構(gòu)及參數(shù)</p><p>　　前置放大器和功率放大器，前置放大器承擔(dān)控制任務(wù)為主，對(duì)各種節(jié)目源信號(hào)進(jìn)行選擇和處理，對(duì)微弱信號(hào)放大到0.5-1V，進(jìn)行各種音質(zhì)控制，以美化音色。功率放大器，承擔(dān)放大任務(wù)，是將前置放大器輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。有電壓放大，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(biāo)</p><p>

22、;<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(dá)式；P= U/R, U為負(fù)載兩端的最大不失真電壓，R為額定負(fù)載阻抗。</p><p>　　測(cè)量條件如下:信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1KH，電壓U=20mV正弦信號(hào)。功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻凡(代替揚(yáng)聲器)，輸入端接U，逐漸增大輸入電

23、壓U，直到U的波形剛好不出現(xiàn)諧波失真(r<1%)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓。測(cè)量后應(yīng)迅速減小U，以免損壞功率放大器。</p><p><b>　　2.頻率響應(yīng)</b></p><p>　　放大器的電壓增益相對(duì)于中音頻f (1KHz)的電壓增益下降3dB時(shí)所對(duì)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>　　測(cè)量

24、條件如下:調(diào)節(jié)音量控制器使輸出電壓約為最大輸出電壓的50%輸入端接音調(diào)控制器，使信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率f從20Hz-20KHz(保持U=20mV不變)測(cè)出負(fù)載電阻上對(duì)應(yīng)的輸出電壓U。</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(shí)所需的輸入電壓(有效值)稱為靈敏度。</p><p><b&

25、gt;　　4.噪聲電壓</b></p><p>　　使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載凡上的電壓稱為噪聲電壓U。</p><p>　　測(cè)量:使輸入端對(duì)地短路，音量電位器為最大值，用示波器觀察輸出負(fù)載RL的電壓波形，用交流電壓表測(cè)量其有效值。</p><p><b>　　3 放大器的簡(jiǎn)介</b></p><p>　　功率放

26、大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類(lèi)。即A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)。在音頻功放領(lǐng)域中，前四類(lèi)均可直接采用模擬音頻信號(hào)直接輸入，放大后將此信號(hào)用以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。D類(lèi)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(hào)，而是需要某種變換后再放大。</p><p><b>　　1. A類(lèi)放大器</b></p><p>　　我們略去電路直接從特性曲

27、線來(lái)討論工作狀態(tài)，見(jiàn)圖3-1中左邊為晶體管輸入特性，固定置偏所形成的工作點(diǎn)在Q點(diǎn)，當(dāng)正弦音頻信號(hào)輸入時(shí)，其幅度未超出線性范圍，集電極工作狀態(tài)處于截止區(qū)和飽和點(diǎn)之內(nèi)，集電極電流為完整的全周導(dǎo)通的正弦波，此時(shí)導(dǎo)通角為180度，(導(dǎo)通角是以最小值至最大值之間占全周的部分來(lái)計(jì)算，全周導(dǎo)通時(shí)為180度)。這種放大狀態(tài)失真度較小，只受器件特性曲線的影響，若器件線性好則失真最小，但是，當(dāng)無(wú)交流輸入時(shí)，有約一半幅度(Q點(diǎn))的直流電流，其損耗為I 

28、15; V，故效率是最低的，低于50%，所以這種A類(lèi)功率放大僅用于很小功率的收音機(jī)，助聽(tīng)器中，也有用于高級(jí)的Hi-Fi功放中。</p><p>　　圖3-1 A類(lèi)放大器</p><p>　　2. B類(lèi)放大器</p><p>　　圖3-2 B類(lèi)放大器</p><p>　　靜態(tài)置偏為Q點(diǎn)，處于截止點(diǎn)上，因此信號(hào)輸入時(shí)，只有半周導(dǎo)通(導(dǎo)

29、通角為90度) ，如圖3-2所示，。集電極輸出半個(gè)正弦波。這種狀態(tài)失真度就很大了，所以一般乙類(lèi)放大器都用雙管做成推挽式，每管工作半周構(gòu)成完整的正弦波以減少失真。乙類(lèi)狀態(tài)的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)信號(hào)時(shí)原則上沒(méi)有直流電流，因而沒(méi)有直流功率損耗，效率超過(guò)50%，但由于曲線起始端的非線性，常將推挽放大器的兩管均少量正向置偏，其導(dǎo)通角大于半周，故效率不能做得很高達(dá)60%-70%.工作介于AB之間，故又稱AB類(lèi)功放。其情況如圖3-3, 3-4。</p&

30、gt;<p>　　圖3-3 推挽電路形式</p><p>　　圖3-4 AB類(lèi)放大和B類(lèi)放大</p><p><b>　　3. C類(lèi)放大器</b></p><p>　　情況如圖3-5，靜態(tài)置偏點(diǎn)在截止點(diǎn)之下，當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)只有超過(guò)偏置點(diǎn)部分管子才導(dǎo)通(導(dǎo)通角小于90度)，效率更高，但由于失真過(guò)大，難用于音頻功放，多用于高頻功放

31、作為倍頻用，集電極電流呈脈沖狀，諧波豐富，再用高Q電路調(diào)諧于基波頻率，濾處諧波成分，使輸出完整波形的正弦波。</p><p><b>　　C</b></p><p>　　圖3-5 C類(lèi)放大器 </p><p>　　4. D類(lèi)放大器</p><p>　　以上各類(lèi)放大器介紹可知，影響放大器效率的基本因素是無(wú)信號(hào)時(shí)的工作

32、電流，所形成的直流功率損耗。無(wú)信號(hào)時(shí)電流愈大則直流損耗大，效率低。為此，要提高效率則應(yīng)降低工作點(diǎn)，使無(wú)信號(hào)時(shí)，無(wú)直流損耗。但是，信號(hào)導(dǎo)通角逾小波形失真則愈大，輸出信號(hào)中諧波成分增加，這兩個(gè)要求矛盾。</p><p>　　如果輸入波形其他邊沿很陡直，降低工作點(diǎn)后，對(duì)導(dǎo)通角影響很小，那么失真劣化不大而效率又可以提高。波形陡直的極端狀態(tài)時(shí)輸入信號(hào)為矩形波，這種波形，無(wú)論偏置如何變化，由于前后沿是垂直升降的，導(dǎo)通狀態(tài)都不

33、會(huì)變化，這樣就誕生了工作與脈沖放大狀態(tài)的D類(lèi)放大器。</p><p>　　D類(lèi)放大器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)信號(hào)時(shí)無(wú)電流，而導(dǎo)電時(shí)，沒(méi)有直流損耗。事實(shí)上由于關(guān)斷時(shí)器件尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時(shí)，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(dá)100%，實(shí)際在80-90%,是實(shí)用放大器中效率最高的。正是由于D類(lèi)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(gè)平方厘米，電路板可作的很小，大

34、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(duì)電路工作影響很小。</p><p>　　D類(lèi)放大器與線性音頻放大器（如A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)）相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。對(duì)于線性放大器（如AB類(lèi)）來(lái)說(shuō)，偏置原件和輸出晶體管的線性工作方式會(huì)損耗大量功率。因?yàn)镈類(lèi)放大器的晶體管只是作為開(kāi)關(guān)使用的，用來(lái)控制流過(guò)負(fù)載的電流方向，所以輸出級(jí)的功耗極低。D類(lèi)放大器的功耗主要來(lái)自輸出晶體管導(dǎo)通阻抗、開(kāi)關(guān)損耗

35、和靜態(tài)電流開(kāi)銷(xiāo)。放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類(lèi)放大器對(duì)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(lái)，受以下兩個(gè)主要因素的影響，這樣的局面正逐漸扭轉(zhuǎn)，使D類(lèi)放大器在很多應(yīng)用領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。首先，是市場(chǎng)需要。D類(lèi)放大器的某些優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)了手機(jī)和LCD平板顯示器這兩個(gè)終端設(shè)備市場(chǎng)的迅速發(fā)展。對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，揚(yáng)聲器和PTT (Push-to-Talk，

36、一鍵通)模式需要D類(lèi)放大器的高效率，以延長(zhǎng)電池壽命。LCD平板顯示器的發(fā)展對(duì)電子器件提出了“低溫運(yùn)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(duì)比度。而D類(lèi)放大器的高效率意味著驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備時(shí)功耗更低，使LCD平板顯示器工作時(shí)發(fā)熱更少，圖像顯示效果更好。影響D類(lèi)放大器應(yīng)用的第二個(gè)因素便是自身技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)市場(chǎng)需要，一些制造商改進(jìn)了D類(lèi)放大技術(shù)，使D類(lèi)放大器具有更理想價(jià)格的同時(shí)，也具備了與AB類(lèi)放大器相近的

37、音頻性能。此外，一些新型的D類(lèi)放大器輸出調(diào)制方案還可以降低實(shí)際應(yīng)用的EMI。 </p><p>　　4 D類(lèi)功放的原理及仿真</p><p>　　4.1 D類(lèi)功放的工作原理</p><p>　　D類(lèi)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(guò)專(zhuān)門(mén)的等比特?cái)?shù)字處理器（EquibitDSP）變換為脈寬調(diào)制（PW

38、M，Pulse Width Modulation）的數(shù)據(jù)流。采用脈寬調(diào)制后，音頻信號(hào)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(hào)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(shí)而飽和導(dǎo)通工作，時(shí)而截止不工作。晶體管導(dǎo)通工作時(shí)間越長(zhǎng)，信號(hào)幅度便越大，于是晶體輸出管為揚(yáng)聲器提供的電流也時(shí)而因管子導(dǎo)通而有電流流過(guò)，時(shí)而因管子截止而沒(méi)有電流流過(guò)，

39、音頻信息便包含在這些接通、斷開(kāi)的周期過(guò)程中。脈沖串在由晶體管放大后，便由LC低通濾波器進(jìn)行平滑處理，從而恢復(fù)為原有的音樂(lè)波形。</p><p>　　D類(lèi)放大器的電路工作方式為開(kāi)關(guān)狀態(tài)，作為放大音頻正弦信號(hào)，還需模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將音頻模擬信號(hào)先變?yōu)槊}沖方波，從而進(jìn)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類(lèi)放大器的原理方塊圖</p>

40、<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(gè)放大器反相連接，實(shí)際上構(gòu)成推挽狀態(tài)，起到開(kāi)關(guān)作用去控制與電源串聯(lián)的負(fù)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(shí)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(dāng)兩支形狀短路阻抗為0，開(kāi)路阻抗為無(wú)窮大時(shí)，電路效率100%。因?yàn)閾P(yáng)聲器是感性負(fù)載，對(duì)于

41、高電感的揚(yáng)聲器如中頻揚(yáng)聲器，D類(lèi)功放可以不用低通濾波器，直接與揚(yáng)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(hào)，即“脈寬調(diào)制”信號(hào)。這里沒(méi)有應(yīng)用一般概念的A/D變換電路，而是用一個(gè)幅度與放大的正弦信號(hào)近似的三角波，共同作為變換器輸入，相當(dāng)于反相比較器。當(dāng)三角波幅度大于正弦波幅部分，變換電路輸出"1"；而三角波幅小于正弦波幅處，

42、變換電路均輸出"0"；這樣即將輸入的正弦信號(hào)變?yōu)閷挾入S正弦信號(hào)波幅變化的PWM波。</p><p>　　D類(lèi)功放使用的開(kāi)關(guān)管采用功率型MOSFET，即大功率場(chǎng)效應(yīng)管，并為保證足夠的激勵(lì)電壓而設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路，使FET能充分的開(kāi)啟和關(guān)斷。</p><p>　　圖4-3是PWM波的頻譜，當(dāng)放大單一頻率正弦時(shí)，其頻譜中除低頻段存在與輸入信號(hào)同頻率的基波成分外，還存在各次諧波的頻譜

43、。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(jiǎn)化。</p><p>　　圖4-3 PWM波的頻譜</p><p>　　4.2 D類(lèi)功放的EDA仿真</p><p>　　4.2.1 EDA仿真概述</p><p>　　EDA（Electronic Design Automation ）是指以計(jì)算機(jī)

44、為工作平臺(tái)，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作，既IC設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)經(jīng)過(guò)了三個(gè)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(jì)自動(dòng)化（EDA）階段。EDA技術(shù)代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向。它不僅為電子技術(shù)設(shè)計(jì)人員提供了“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)也為教學(xué)提供了一個(gè)極為便捷的、科學(xué)的實(shí)

45、驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。電工電子類(lèi)專(zhuān)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(guò)EDA仿真軟件，進(jìn)行電路圖的繪制、設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)和分析。</p><p>　　本課題研究時(shí)采用簡(jiǎn)單易用的EWB軟件，其操作簡(jiǎn)單、直觀，對(duì)計(jì)算機(jī)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(shí)一般的步驟根據(jù)流程圖的步驟，重點(diǎn)應(yīng)該做好課題建模、儀器的連接、運(yùn)行仿

46、真試驗(yàn)、分析結(jié)果等工作。建模過(guò)程中，各級(jí)電路的元器件參數(shù)選擇必須 準(zhǔn)確，應(yīng)防止節(jié)點(diǎn)的虛脫和注意地端的連接。測(cè)試儀器的使用，應(yīng)注意相關(guān)的對(duì)話框設(shè)置，做到各項(xiàng)選擇符合其電路要求。運(yùn)行仿真試驗(yàn)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放大器原理仿真概述</p><p&g

47、t;　　根據(jù)上面的研究，D類(lèi)音頻功率放大器主要有三角波發(fā)生器、電壓比較器、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路和低通濾波器構(gòu)成，現(xiàn)將仿真電路設(shè)計(jì)如下。</p><p>　　圖4－5 D類(lèi)放大器的仿真電路</p><p>　　其中輸入信號(hào)為1KHz的正弦波，抽樣信號(hào)為200KHz由的三角波，由EWB中的信號(hào)發(fā)生器提供，幅度為2V，占空比為50％；電壓比較器采用EWB中的理想運(yùn)算放大器，輸出的極值為－5V～＋5V

48、；場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路采用理想場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)放大電路；低通濾波器為L(zhǎng)C二階濾波器。</p><p>　　4.2.3 輸入信號(hào)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(hào)PWM波的頻譜仿真分析</p><p>　　圖4－7 傅里葉分析的設(shè)置</p><

49、p>　　4.3 D類(lèi)功放的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　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(lèi)型包括A類(lèi)放大器，AB類(lèi)放大器和B類(lèi)放大器。與D類(lèi)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(lèi)放大器在許多應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，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。 &

50、lt;/p><p>　　和模擬功率放大器相比較，D類(lèi)功率放大器有以下明顯優(yōu)勢(shì)： </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(hào)，直接以數(shù)字信號(hào)進(jìn)行放大，體現(xiàn)了與數(shù)字音源的完美結(jié)合。 </p><p>　?。?）高、中、低頻無(wú)相對(duì)相移，聲音清晰透明，聲像定位準(zhǔn)確。由于采用無(wú)負(fù)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

51、止頻率設(shè)計(jì)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>　?。?）瞬態(tài)響應(yīng)好，即“動(dòng)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(chǔ)備，加之無(wú)模擬放大、無(wú)負(fù)反饋的牽制，故具有更好的“動(dòng)力”特征。 </p><p>　?。?）無(wú)過(guò)零失真。傳統(tǒng)功放一般都存在由于對(duì)管配對(duì)及各級(jí)調(diào)整不佳產(chǎn)生的過(guò)零、交越失真。 </

52、p><p>　?。?）能量轉(zhuǎn)換效率極高，體積小，可靠性高。耗電量?jī)H為同功率等級(jí)模擬放大器的三分之一。其電源使用效率高達(dá)90%以上，節(jié)約能源，也符合環(huán)保要求。而B(niǎo)類(lèi)放大器效率僅為78%（理論值），A類(lèi)功放的效率就更低。由于D類(lèi)功放極高的效率，半導(dǎo)體器件的溫升明顯減小，失真率也就顯著減小。 </p><p>　?。?）適合于大批量生產(chǎn)。產(chǎn)品的一致性好，生產(chǎn)中無(wú)需調(diào)試，只要保證元器件正確安裝即可。&

53、lt;/p><p>　　5 D類(lèi)功放的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 D類(lèi)功放的設(shè)計(jì)原理</p><p>　　在音響領(lǐng)域里人們一直堅(jiān)守著A類(lèi)功放的陣地。認(rèn)為A類(lèi)功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。但是，A類(lèi)功放的低效率和高損耗卻是它無(wú)法克服的先天頑跌。B類(lèi)功放雖然效率提高很多，但實(shí)際效率僅為50％左右，在小型使撓式音響設(shè)備如汽車(chē)功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專(zhuān)業(yè)超

54、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(lèi)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(lái)用分立幾件制作的很復(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(lèi)功放與數(shù)字音響有很多相通之處，進(jìn)一步顯示出D類(lèi)功放的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　D類(lèi)功放是放大力件處于開(kāi)關(guān)工作

55、狀態(tài)的一種放大模式。無(wú)倍號(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(lèi)功放的效率為100％，B類(lèi)功放的效率為78．5％，A類(lèi)功放的效率才50％或25％(按負(fù)載方式而定)。<

56、;/p><p>　　D類(lèi)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(jì)60年代，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始研究D類(lèi)功故用于音頻的放大技術(shù)，70年代Bose公司就外始生產(chǎn)D類(lèi)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)的功故，兩者都希望有D類(lèi)這

57、樣高效的放大器來(lái)放大音頻信號(hào)。共今關(guān)鍵的一步就是村音頻信號(hào)的調(diào)制。</p><p>　　圖5-1是D類(lèi)功放的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個(gè)部分：</p><p>　　圖5-1 D類(lèi)功放的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　第一部分為調(diào)制器，最簡(jiǎn)單的只需用一只運(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號(hào)加上一定直流偏置后故在運(yùn)放的正輸入端，另通過(guò)自激振蕩生成一個(gè)三角形波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。

58、當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時(shí)，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號(hào)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(shí)間一樣，輸出就是一個(gè)占空比為1﹕1的方波。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí)，正半周期間，比較器輸出高電平的時(shí)間比低電乎長(zhǎng)，方波的占空比大于1：1，負(fù)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(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí)間卻大為減少，方被占空比小于1：1。這樣，比較器輸出的波

59、形就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)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(shí)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(lèi)功故，這是一個(gè)脈沖控制的大電流開(kāi)關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率PWM信號(hào)。能夠輸出的最大功率由負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流

60、過(guò)的電流來(lái)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(lái)。方法很簡(jiǎn)單，只需要用一個(gè)低通濾波器。但由于此時(shí)電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)耗能，不能采用，必須使用Lc低通濾波器。當(dāng)占空比大于1：1的脈沖到來(lái)時(shí)，C的充電時(shí)間大子放電時(shí)間，輸出電平上升；窄脈沖到來(lái)時(shí)，放電時(shí)間長(zhǎng)，輸出電平下降，正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相—致，所以原音頻傳號(hào)被恢復(fù)出來(lái)，見(jiàn)圖5-2。</p>

61、<p>　　圖5-2 模擬D類(lèi)功放工作原理</p><p>　　D類(lèi)功放設(shè)計(jì)考慮的角度與AB類(lèi)功放完全不同。此時(shí)功放管的線性已沒(méi)有太大意義，更重要的是開(kāi)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(hào)的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開(kāi)關(guān)響應(yīng)要好。另外，整機(jī)的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所隊(duì)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(jiǎn)化。若干年前，這種高頻大功率管的價(jià)格昂

62、貴，在一定程度上限制了D類(lèi)功放的發(fā)展?，F(xiàn)在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是近年來(lái)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(lèi)功放的一個(gè)特殊環(huán)節(jié)。要把20KHz以下的音頻調(diào)制成PWM信號(hào)，三角波的頻率至少要達(dá)到200KHz。頻率過(guò)低達(dá)到同樣要求的THD標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)無(wú)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

63、加接近原波形，THD就小，而且可以用低數(shù)值、小體積和精度要求相對(duì)差一些的電感和電容來(lái)制成濾波器，造價(jià)相應(yīng)降低。但此時(shí)晶體管的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨頻率上升而上升，無(wú)源器件小的高頻損耗、射頻的趨膚效應(yīng)都會(huì)使整機(jī)效率下降。更高的調(diào)制頻率還會(huì)出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于1MHZ。</p><p>　　同時(shí)，三角波形的形狀、頻率的準(zhǔn)確性和時(shí)鐘信號(hào)的抖晃都會(huì)影響到以后復(fù)原的信號(hào)與原信號(hào)不同而產(chǎn)生失真。所以要實(shí)現(xiàn)高保真，出現(xiàn)了

64、很多與數(shù)字音響保真相同的考慮。</p><p>　　還有一個(gè)與音質(zhì)有很大關(guān)系的因素就是位于驅(qū)動(dòng)輸出與負(fù)載之間的無(wú)源濾波器。該低通濾被器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。嚴(yán)格地講，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)去，但作為一個(gè)功放產(chǎn)品指定音箱是行不通的，所以D類(lèi)功放與音箱的搭配小更有發(fā)燒友馳騁的天地。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)失真要求在0.5％以下時(shí)，用二階Butterworth最平坦響應(yīng)低通濾波器就能達(dá)到要求。如要求更高則需用四

65、階濾波器，這時(shí)成本和匹配等問(wèn)題都必須加以考慮。</p><p>　　5.2 D類(lèi)功放的設(shè)計(jì)要素</p><p>　　雖然利用D類(lèi)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)考慮，包括：輸出晶體管尺寸選擇；輸出級(jí)保護(hù)；音質(zhì)處理；抗電磁干擾( EMI)；LC濾波器設(shè)計(jì)；系統(tǒng)成本；散熱。 </p><p>　　5.2.1 輸出晶體管尺寸選擇</p

66、><p>　　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0.1W～0.2W)。但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(kāi)關(guān)頻率。如果電容或頻率太高，這個(gè)“開(kāi)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

67、15;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。</p><p>　　5.2.2 輸出級(jí)保護(hù)</p><p>　　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： &

68、lt;/p><p>　　過(guò)熱: 盡管D類(lèi)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，控制電路可逐漸減小音量水平，減少功

69、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。</p><p>　　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

70、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。 </p><p>　　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

71、封鎖閾值時(shí)才允許輸出級(jí)工作。</p><p>　　圖5-3 輸出級(jí)晶體管的先合后開(kāi)開(kāi)關(guān) </p><p>　　輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)序 : MH和ML輸出級(jí)晶體管(見(jiàn)圖5-3)具有非常低的導(dǎo)通電阻。因此，避免MH和ML同時(shí)導(dǎo)通的情況很重要，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生一個(gè)從VDD到VSS的低電阻路徑通過(guò)晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。最好的情況是晶體管發(fā)熱并且消耗功率；最壞的情況是晶體管可能被毀壞。晶體管的先

72、開(kāi)后合控制通過(guò)在一個(gè)晶體管導(dǎo)通之前強(qiáng)制兩個(gè)晶體管都斷開(kāi)以防止沖擊電流情況發(fā)生。兩個(gè)晶體管都斷開(kāi)的時(shí)間間隔稱為非重疊時(shí)間或死區(qū)時(shí)間。</p><p>　　5.2.3 音質(zhì)處理</p><p>　　在D類(lèi)放大器中，要獲得好的總體音質(zhì)必須解決幾個(gè)問(wèn)題。</p><p>　　“卡搭”聲：當(dāng)放大器導(dǎo)通或斷開(kāi)時(shí)發(fā)出的卡搭聲非常討厭。但不幸的是，它們易于引入到D類(lèi)放大器中，除非當(dāng)

73、放大器靜噪或非靜噪時(shí)特別注意調(diào)制器狀態(tài)、輸出級(jí)時(shí)序和LC濾波器狀態(tài)。</p><p>　　信噪比(SNR):為了避免放大器本底噪聲產(chǎn)生的嘶嘶聲，對(duì)于便攜式應(yīng)用的低功率放大器，SNR通常應(yīng)當(dāng)超過(guò)90 dB，對(duì)于中等功率設(shè)計(jì)SNR應(yīng)當(dāng)超過(guò)100 dB，對(duì)于大功率設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)超過(guò)110 dB。這對(duì)于各種放大器是可以達(dá)到的，但在放大器設(shè)計(jì)期間必須跟蹤具體的噪聲源以保證達(dá)到滿意的總體SNR。</p><p&

74、gt;　　失真機(jī)理: 失真機(jī)理包括調(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。</p><p>　　在D類(lèi)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。其它失真源包括：輸出脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間的

75、不匹配，輸出晶體管柵極驅(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。</p><p>　　電源抑制 (PSR): 在下圖所示的電路中，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。濾波器抑制高頻噪聲，但所有音頻頻率都會(huì)通過(guò)，包括音頻噪聲。</p><p>　　圖5-4 D類(lèi)開(kāi)環(huán)放大器框圖 &l

76、t;/p><p>　　如果不解決失真問(wèn)題和電源問(wèn)題，就很難達(dá)到PSR優(yōu)于10 dB，或總諧波失真(THD)優(yōu)于0.1%。甚至更壞的情況，THD趨向于有害音質(zhì)的高階失真。</p><p>　　使用具有高環(huán)路增益的反饋(正如在許多線性放大器設(shè)計(jì)中所采用的)幫助很大。LC濾波器輸入的反饋會(huì)大大提高PSR并且衰減所有非LC濾波器失真源。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。在精心設(shè)計(jì)

77、的閉環(huán)D類(lèi)放大器中，可以達(dá)到PSR > 60 dB和THD < 0.01%的高保真音質(zhì)。</p><p>　　但反饋使得放大器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因?yàn)楸仨殱M足環(huán)路的穩(wěn)定性(對(duì)于高階設(shè)計(jì)是一種很復(fù)雜的考慮)。連續(xù)時(shí)間模擬反饋對(duì)于捕獲有關(guān)脈沖時(shí)序誤差的重要信息也是必需的，因此控制環(huán)路必須包括模擬電路以處理反饋信號(hào)。在集成電路放大器實(shí)現(xiàn)中，這會(huì)增加管芯成本。</p><p>　　為了將I

78、C成本減至最低，一些制造商喜歡不使用或使用最少的模擬電路部分。有些產(chǎn)品用一個(gè)數(shù)字開(kāi)環(huán)調(diào)制器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)檢測(cè)電源變化，并且用調(diào)整調(diào)制器進(jìn)行補(bǔ)償。這樣可以改善PSR，但不會(huì)解決任何失真問(wèn)題。其它的數(shù)字調(diào)制器試圖對(duì)預(yù)期的輸出級(jí)時(shí)序誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，或?qū)Ψ抢硐氲恼{(diào)制器進(jìn)行校正。這樣至少會(huì)處理一部分失真源，但不是全部。對(duì)于音質(zhì)要求寬松的應(yīng)用，可通過(guò)這些開(kāi)環(huán)D類(lèi)放大器進(jìn)行處理，但對(duì)于最佳音質(zhì)，有些形式的反饋似乎是必需的。</p>

79、<p>　　5.2.4 EMI處理</p><p>　　D類(lèi)放大器輸出的高頻分量值得認(rèn)真考慮。如果不正確理解和處理，這些分量會(huì)產(chǎn)生大量EMI并且干擾其它設(shè)備的工作。</p><p>　　兩種EMI需要考慮：輻射到空間的信號(hào)和通過(guò)揚(yáng)聲器及電源線傳導(dǎo)的信號(hào)。D類(lèi)放大器調(diào)制方案決定傳導(dǎo)EMI和輻射EMI分量的基線譜。但是，可以使用一些板級(jí)的設(shè)計(jì)方法減少D類(lèi)放大器發(fā)射的EMI，而不管其基

80、線譜如何。</p><p>　　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?yàn)榕cEMI相關(guān)的強(qiáng)度與環(huán)路面積及環(huán)路與其它電路的接近程度有關(guān)。例如，整個(gè)LC濾波器(包括揚(yáng)聲器接線)的布局應(yīng)盡可能地緊密，并且保持靠近放大器。電流驅(qū)動(dòng)和回路印制線應(yīng)當(dāng)集中在一起以將環(huán)路面積減至最小(揚(yáng)聲器使用雙絞線對(duì)接線很有幫助)。另一個(gè)要注意的地方是當(dāng)輸出級(jí)晶體管柵極電容開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。通常這個(gè)電荷來(lái)自儲(chǔ)能電容，從而形

81、成一個(gè)包含兩個(gè)電容的電流環(huán)路。通過(guò)將環(huán)路面積減至最小可降低環(huán)路中瞬態(tài)的EMI影響，意味著儲(chǔ)能電容應(yīng)盡可能靠近晶體管對(duì)它充電。</p><p>　　有時(shí)，插入與放大器電源串聯(lián)的RF厄流線圈很有幫助。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(nèi)，而不會(huì)沿電源線長(zhǎng)距離傳導(dǎo)。</p><p>　　如果柵極驅(qū)動(dòng)非重疊時(shí)間非常長(zhǎng)，揚(yáng)聲器或LC濾波器的感應(yīng)電流會(huì)正向偏置輸出級(jí)晶體管端的寄生二

82、極管。當(dāng)非重疊時(shí)間結(jié)束時(shí)，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪?。在二極管完全斷開(kāi)之前，會(huì)出現(xiàn)大的反向恢復(fù)電流尖峰，從而產(chǎn)生麻煩的EMI源。通過(guò)保持非重疊時(shí)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(fù)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)，以轉(zhuǎn)移電流并且防止寄生二極管一直導(dǎo)通。這很有幫助，因?yàn)镾chottky二極管的金屬半導(dǎo)體結(jié)本質(zhì)上不受反向恢復(fù)效應(yīng)的影響。</p><

83、;p>　　具有環(huán)形電感器磁芯的LC濾波器可將放大器電流導(dǎo)致的雜散現(xiàn)場(chǎng)輸電線影響減至最小。在成本和EMI性能之間的一種好的折衷方法是通過(guò)屏蔽減小來(lái)自低成本鼓形磁芯的輻射。</p><p>　　5.2.5 LC濾波器設(shè)計(jì)</p><p>　　為了節(jié)省成本和PCB面積，大多數(shù)D類(lèi)放大器的LC濾波器采用二階低通設(shè)計(jì)。下圖示出一個(gè)差分式二階LC濾波器。揚(yáng)聲器用于減弱電路的固有諧振。盡管揚(yáng)聲器阻

84、抗有時(shí)近似于簡(jiǎn)單的電阻，但實(shí)際阻抗比較復(fù)雜并且可能包括顯著的無(wú)功分量。要獲得最佳濾波器設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)總是爭(zhēng)取使用精確的揚(yáng)聲器模型。</p><p>　　圖5-5 差分開(kāi)關(guān)輸出級(jí)和LC低通濾波器</p><p>　　常見(jiàn)的濾波器設(shè)計(jì)選擇目的是為了在所需要的最高音頻頻率條件下將濾波器響應(yīng)下降減至最小以獲得最低帶寬。如果對(duì)于高達(dá)20 kHz頻率，要求下降小于1 dB，則要求典型的濾波

85、器具有40 kHz巴特沃斯(Butterworth)響應(yīng)(以達(dá)到最大平坦通帶)。對(duì)于常見(jiàn)的揚(yáng)聲器阻抗以及標(biāo)準(zhǔn)的L值和C值，表5-1給出了標(biāo)稱元器件值及其相應(yīng)的近似Butterworth響應(yīng)。</p><p>　　表5-1 標(biāo)稱元器件值</p><p>　　如果設(shè)計(jì)不包括揚(yáng)聲器反饋，揚(yáng)聲器THD會(huì)對(duì)LC濾波器元器件的線性度敏感。</p><p>　　電感器設(shè)計(jì)考慮因素

86、：設(shè)計(jì)或選擇電感器的重要因素包括磁芯的額定電流和形狀，以及繞線電阻。</p><p>　　額定電流：選用磁芯的額定電流應(yīng)當(dāng)大于期望的放大器的最高電流。原因是如果電流超過(guò)額定電流閾值并且電流密度太高，許多電感器磁芯會(huì)發(fā)生磁性飽和，導(dǎo)致電感急劇減小，這是我們所不期望的。</p><p>　　通過(guò)在磁芯周?chē)@線而形成電感。如果繞線匝數(shù)很多，與總繞線長(zhǎng)度相關(guān)的電阻很重要。由于該電阻串聯(lián)于半橋和揚(yáng)聲

87、器之間，因而會(huì)消耗一些輸出功率。如果電阻太高，應(yīng)當(dāng)使用較粗的繞線或選用要求繞線匝數(shù)較少的其它金屬材質(zhì)的磁芯，用以提供需要的電感。</p><p>　　最后，不要忘記所使用的電感器的形狀也會(huì)影響EMI，正如上面所提到的。</p><p><b>　　5.2.6系統(tǒng)成本</b></p><p>　　D類(lèi)放大器的有源器件是開(kāi)關(guān)輸出級(jí)和調(diào)制器。構(gòu)成該電

88、路的成本大致與模擬線性放大器相同。真正需要考慮的折衷是系統(tǒng)的其它元器件。</p><p>　　D類(lèi)放大器的低功耗節(jié)省了散熱裝置的成本(以及PCB面積)，例如，散熱片或風(fēng)扇。D類(lèi)集成電路放大器可采用比模擬線性放大器尺寸小和成本低的封裝。當(dāng)驅(qū)動(dòng)數(shù)字音頻源時(shí)，模擬線性放大器需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。對(duì)于處理模擬輸入的D類(lèi)放大器也需如此轉(zhuǎn)換，但對(duì)于數(shù)字輸入的D類(lèi)放大器有效地集成了DAC功能。<

89、;/p><p>　　另一方面，D類(lèi)放大器的主要成本缺點(diǎn)是LC濾波器。LC濾波器的元器件，尤其是電感器，占用PCB面積并且增加成本。在大功率放大器中，D類(lèi)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

90、占用的PCB面積也是小型應(yīng)用中的一個(gè)問(wèn)題。</p><p>　　5.2.7 散熱注意事項(xiàng)</p><p>　　D類(lèi)放大器相比AB類(lèi)放大器具有更高的效率和更好的熱性能。盡管如此，使用D類(lèi)仍然需要放大器時(shí)慎重考慮其散熱。</p><p>　　1. 連續(xù)正弦波與音樂(lè)</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)室評(píng)估D類(lèi)放大器性能時(shí)，常使用連續(xù)正弦波作為信號(hào)源。盡管

91、使用正弦波進(jìn)行測(cè)量比較方便，但這樣的測(cè)量結(jié)果卻是放大器在最壞情況下的熱負(fù)載。如果用接近最大輸出功率的連續(xù)正弦波驅(qū)動(dòng)D類(lèi)放大器，則放大器常常會(huì)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。 </p><p>　　常見(jiàn)的音源，包含音樂(lè)和語(yǔ)音，其RMS值往往比峰值輸出功率低得多。通常情況下，語(yǔ)音的峰值與RMS功率之比(即波峰因數(shù))為12dB，而音樂(lè)的波峰因數(shù)為18dB至20dB。圖5-6所示為時(shí)域內(nèi)音頻信號(hào)和正弦波的波形圖，給出了采用示波器測(cè)量?jī)烧?/p>

92、RMS值的結(jié)果。雖然音頻信號(hào)峰值略高于正弦波，但其RMS值大概只有正弦波的一半。同樣，音頻信號(hào)可能存在突變，但正如測(cè)量結(jié)果所示，其平均值仍遠(yuǎn)低于正弦波。雖然音頻信號(hào)可能具有與正弦波相近的峰值，但在D類(lèi)放大器表現(xiàn)出來(lái)的熱效應(yīng)卻大大低于正弦波。因此，測(cè)量系統(tǒng)的熱性能時(shí)，最好使用實(shí)際音頻信號(hào)而非正弦波作為信號(hào)源。如果只能使用正弦波，則所得到的熱性能要比實(shí)際系統(tǒng)差。圖5-6正弦波的RMS值高于音頻信號(hào)的RMS值，意味著用正弦波測(cè)試時(shí)，D類(lèi)放大器

93、的發(fā)熱更大。 </p><p>　　圖5-6正弦波的RMS值</p><p>　　2. PCB的散熱注意事項(xiàng)</p><p>　　在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TQFN封裝中，裸露的焊盤(pán)是IC散熱的主要途徑。對(duì)底部有裸露焊盤(pán)的封裝來(lái)說(shuō)，PCB及其敷銅層是D類(lèi)放大器主要的散熱渠道。如圖5-7所示，將D類(lèi)放大器貼裝到常見(jiàn)的PCB，最好根據(jù)以下原則：將裸露焊盤(pán)焊接到大面積敷銅塊。盡可能在敷銅

94、塊與臨近的具有等電勢(shì)的D類(lèi)放大器引腳以及其他元件之間多布一些覆銅。本文的案例中，敷銅層與散熱焊盤(pán)的右上方和右下方相連(如圖5-7)。敷銅走線應(yīng)盡可能寬，因?yàn)檫@將影響到系統(tǒng)的整體散熱性能。 </p><p><b>　　圖5-7 裸露焊盤(pán)</b></p><p>　　D類(lèi)放大器采用TQFN或TQFP封裝時(shí)，裸露焊盤(pán)是其主要散熱通道。 </p><p&

95、gt;　　與裸露焊盤(pán)相接的敷銅塊應(yīng)該用多個(gè)過(guò)孔連到PCB背面的其他敷銅塊上。該敷銅塊應(yīng)該在滿足系統(tǒng)信號(hào)走線的要求下具有盡可能大的面積。 </p><p>　　盡量加寬所有與器件的連線，這將有益于改善系統(tǒng)的散熱性能。雖然IC的引腳并不是主要的散熱通道，但實(shí)際應(yīng)用中仍然會(huì)有少量發(fā)熱。圖5-8給出的PCB中，采用寬的連線將D類(lèi)放大器的輸出與圖右側(cè)的兩個(gè)電感相連。在這種情況下，電感的銅芯繞線也可為D放大器提供額外的散熱通

96、道。雖然對(duì)整體熱性能的改善不到10%，但這樣的改善卻會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)兩種截然不同的結(jié)果 - 即使系統(tǒng)具備較理想的散熱或出現(xiàn)較嚴(yán)重的發(fā)熱。圖5-8 D類(lèi)放大器右邊的寬走線有助于導(dǎo)熱。 </p><p>　　圖5-8 D類(lèi)放大器 </p><p><b>　　3. 輔助散熱</b></p><p>　　當(dāng)D類(lèi)放大器在較高的環(huán)境溫度下工作時(shí)，增加外部散熱

97、片可以改善PCB的熱性能。該散熱片的熱阻必須盡可能小，以使散熱性能最佳。采用底部的裸露焊盤(pán)后，PCB底部往往是熱阻最低的散熱通道。IC的頂部并不是器件的主要散熱通道，因此在此安裝散熱片不劃算。圖5-9給出了一個(gè)PCB表貼散熱片(218系列)。該散熱片焊接在PCB上，是兼顧尺寸、成本、裝配方便性和散熱性能的理想選擇。當(dāng)D類(lèi)放大器工作在較高環(huán)境溫度下，可能需要如圖示的SMT散熱片</p><p>　　圖5-9 SMT

98、散熱片</p><p><b>　　4． 負(fù)載阻抗</b></p><p>　　D類(lèi)放大器MOSFET輸出級(jí)的導(dǎo)通電阻會(huì)影響它的效率和峰值電流能力。降低負(fù)載的峰值電流可減少M(fèi)OSFET的I2R損耗，進(jìn)而提高效率。要降低峰值電流，應(yīng)在保證輸出功率，以及D類(lèi)放大器的電壓擺幅以及電源電壓的限制的條件下，選擇最大阻抗的揚(yáng)聲器，如圖5-10所示。本例中，假設(shè)D類(lèi)放大器的輸出電流

99、為2A，電源電壓范圍為5V至24V。電源電壓大于等于8V時(shí)，4的負(fù)載電流將達(dá)到2A，相應(yīng)的最大連續(xù)輸出功率為8W。如果8W的輸出功率能滿足要求，則可以考慮使用一個(gè)12揚(yáng)聲器和15V供電電壓，此時(shí)的峰值電流限制在1.25A，對(duì)應(yīng)的最大連續(xù)輸出功率為9.4W。此外，12負(fù)載的工作效率要比4負(fù)載的高出10%到15%，降低了功耗。實(shí)際效率的提高根據(jù)不同D類(lèi)放大器而異。雖然大多數(shù)揚(yáng)聲器的阻抗都采用4或8，但也可采用其他阻抗的揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)更高效的散熱

100、。</p><p>　　圖5-10輸出功率 </p><p>　　另外還需要注意音頻帶寬內(nèi)負(fù)載阻抗的變化。揚(yáng)聲器是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，具有多種諧振元件。換言之，8的揚(yáng)聲器只在很窄的頻帶內(nèi)才呈現(xiàn)出8阻抗。在大部分音頻帶寬內(nèi)，阻抗都會(huì)大于其標(biāo)稱值，如圖5-11示。在大部分音頻帶寬內(nèi)，該揚(yáng)聲器的阻抗都會(huì)遠(yuǎn)大于其8的標(biāo)稱值。然而，高頻揚(yáng)聲器和分頻網(wǎng)絡(luò)的存在將降低阻抗值。因此必須考慮系統(tǒng)的總阻抗以確

101、保足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力和散熱性能。8阻抗、13cm口徑揚(yáng)聲器的阻抗隨頻率改變而急劇變化。 </p><p>　　圖5-11 揚(yáng)聲器的阻抗的變化</p><p><b>　　5． 結(jié)論</b></p><p>　　D類(lèi)放大器的效率相比AB類(lèi)放大器有很大提高。雖然這一效率優(yōu)勢(shì)降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)散熱性能設(shè)計(jì)的要求，但仍然不能完全忽視系統(tǒng)散熱。但是，如果

102、能夠遵循良好的設(shè)計(jì)原則并且設(shè)定合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)，使用D類(lèi)放大器可使音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。 </p><p>　　5.3 D類(lèi)功放電路分析與計(jì)算</p><p>　　5.3.1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(zhuān)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(shí)現(xiàn)<

103、;/p><p>　　方案二：采用圖5-12所示方式來(lái)實(shí)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(shí)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(yùn)放TLC4502

104、及高速精密電壓比較器LM311來(lái)實(shí)現(xiàn)(電路如圖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(dá)到發(fā)揮部分對(duì)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(shí)現(xiàn)，選擇150KHz的載波，使用四階Butterworth LC濾

105、波器，輸出端對(duì)載頻的衰減大于60dB，能滿足題目的要求，所以我們選用載波頻率為150 kHz。</p><p>　　電路參數(shù)的計(jì)算：在5v單電源供電下，我們將運(yùn)放5腳和比較器3腳的電位用R8調(diào)整為2.5v，同時(shí)設(shè)定輸出的對(duì)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(shí)R11上的壓降，則R9的求解過(guò)程如下：</p><p>　　(5-2.5)/100=

106、1/R9, R9=100/2.5=40KΩ</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(jì)算過(guò)程如下：對(duì)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>

107、;　　則電容兩端最大電壓值為</p><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><

108、p>　　取C4=220pF,R7=10KΩ,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(gè)電阻均取10KΩ。 出于三角波V=2v，所以要求音頻信號(hào)