D類音頻功率放大器的研究與實(shí)現(xiàn)

1 引 言

音頻放大器已經(jīng)快有一個(gè)世紀(jì)的歷史了，最近幾年，電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展。音質(zhì)好、電源效率高、發(fā)熱少的D類放大器成為市場(chǎng)的需求。并且由于D類放大器的耗電低、發(fā)熱少等諸多特點(diǎn)，越來越得到日益強(qiáng)調(diào)環(huán)保的市場(chǎng)的認(rèn)同。同時(shí)，便攜電子設(shè)備的工作時(shí)間一直是廠商全力追求的最重要的性能指標(biāo)，新的無濾波器D類放大器在幾瓦特的功率級(jí)別上正在取代原先固定的AB類器件。與體積龐大的傳統(tǒng)線性放大器相比，使用D類放大器并不影響音頻信號(hào)的音質(zhì)卻能夠實(shí)現(xiàn)便攜產(chǎn)品的小型化，因此市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品薄型化、便攜式的需求趨勢(shì)造就了傳統(tǒng)放大器向數(shù)字放大器的轉(zhuǎn)化。 簡(jiǎn)單地說，歷史上出現(xiàn)過三代D類放大器設(shè)計(jì)：

第一代的范例是由托卡塔設(shè)計(jì)的TacTMillennium，證實(shí)了D類放大器的概念，但是該技術(shù)還不能提供足夠的性能，這使第一代D類放大器向著實(shí)用性的方向發(fā)展。

第二代D類放大器把一個(gè)用于模擬源信號(hào)的PWM信號(hào)和一個(gè)集成的輸出級(jí)以及片外濾波器組合在一起。這些放大器需要源選擇，音量，平衡和音調(diào)控制等復(fù)雜的前端功能，而這些附加的功能增加了額外的復(fù)雜性。但是首先這代放大器變得價(jià)格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超過了AB類放大器，從而獲得了一定的應(yīng)用。

第三代是最近一段時(shí)間，現(xiàn)有的D類數(shù)字放大器較以前的技術(shù)已有所改善，他們?cè)谝糍|(zhì)、封裝、性能、價(jià)格和核心技術(shù)方面都已取得重大改進(jìn)。為了生成精確的音頻，輸入晶體管需要在動(dòng)態(tài)范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助精確地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的功率分配。通過采用一個(gè)簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大的內(nèi)部控制邏輯系統(tǒng)改善音頻輸出，并額外增加一套輸入晶體管，這些晶體管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)輸入的更精細(xì)的控制。最后還不能忽視新的架構(gòu)技術(shù)。

2 D類放大器的基本結(jié)構(gòu)

D類放大器的電路共分為三級(jí)：輸入開關(guān)級(jí)、功率放大級(jí)及輸出濾波級(jí)。

D類放大器工作在開關(guān)狀態(tài)下可以采用脈寬調(diào)制(PWM)模式。利用PWM能將音頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻開關(guān)信號(hào)。通過一個(gè)比較器將音頻信號(hào)與高頻三角波進(jìn)行比較，當(dāng)反相端電壓高于同相端電壓時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)反相端電壓低于同相端電壓時(shí)，輸出為高電平。

在D類放大器中，比較器的輸出與功率放大電路相連，功放電路采用金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)替代雙極型晶體管(BJT)，這是因?yàn)椋?/p>

(1)功率MOSFET是一種高輸入阻抗、電壓控制型器件，BJT則是一種低阻抗、電流控制型器件。

(2)從二者的驅(qū)動(dòng)電路來看，功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，BJT可能需要多達(dá)20％的額定集電極電流以保證飽和度，而MOSFET需要的驅(qū)動(dòng)電流則小得多，而且通?？梢灾苯佑蒀MOS或者集電極開路TTL驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。

(3)MOSFET的開關(guān)速度比較迅速，他是一種多數(shù)載流子器件，沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，能夠以較高速度工作。

(4)MOSFET沒有二次擊穿失效機(jī)理，他在溫度越高時(shí)往往耐力越強(qiáng)，發(fā)生熱擊穿的可能性越低。他還可以在較寬的溫度范圍內(nèi)提供較好的性能。

(5)MOSFET具有并行工作能力，具有正的電阻溫度系數(shù)。溫度較高的器件往往把電流導(dǎo)向其他MOSFET，允許并行電路配置。而且，MOSFET的漏極和源極之間形成的寄生二極管可以充當(dāng)箝位二極管，在電感性負(fù)載開關(guān)中特別有用。

場(chǎng)效應(yīng)管有兩種工作模式，即開關(guān)模式或線性模式。所謂開關(guān)模式，就是器件充當(dāng)一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)，在開與關(guān)兩個(gè)狀態(tài)之間切換。線性工作模式是指器件工作在某個(gè)特性曲線中的線性部分，但也未必如此。此處的線性是指MOSFET保持連續(xù)性的工作狀態(tài)，此時(shí)漏電流是所施加在柵極和源極之間電壓的函數(shù)。他的線性工作模式與開關(guān)工作模式之間的區(qū)別是，在開關(guān)電路中，MOSFET的漏電流是由外部元件確定的，而在線性電路設(shè)計(jì)中卻并非如此。D類放大器需要兩只MOSFET，他們?cè)诜浅６痰臅r(shí)間內(nèi)可完全工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下。當(dāng)一只MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)，其管壓降很低；而當(dāng)MOSFET完全截止時(shí)，通過管子的電流為零。兩只MOSFET交替工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的開關(guān)速度非常快，因而效率極高，產(chǎn)生的熱量很低，所以D類放大器不需要散熱器。

3脈寬調(diào)制(PWM)

采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 D類數(shù)字音頻功率放大器與上述各類模擬功放的最大區(qū)別是不以線性放大音頻信號(hào)為基礎(chǔ)，而是以放大數(shù)字信號(hào)為原理的一種數(shù)字信號(hào)放大技術(shù)。D類數(shù)字功放首先把模擬音頻信號(hào)變換為脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，如圖1所示。

在PWM轉(zhuǎn)換中，以44.1 kHz或48 kHz的取樣頻率和8 b或16 b的量化率(即模擬信號(hào)振幅值的讀出刻度)進(jìn)行A／D(模擬／數(shù)字)變換，然后再把PWM數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高效率放大(D類放大)。由于音頻信號(hào)的信息全部包含在脈沖的寬度變化中，與脈沖的幅度變化無關(guān)，因此，只要采用截止頻率為30～40 kHz的低通慮波器就可把模擬音頻信號(hào)解調(diào)出來。圖2是D類數(shù)字功放的原理圖，為每個(gè)數(shù)字聲源直接輸出的PCM信號(hào)輸入，機(jī)內(nèi)還設(shè)置有一個(gè)PCM／PWM兩種脈沖編碼的轉(zhuǎn)換裝置。

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