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干貨分享:工程師教你如何設(shè)計(jì)D類放大器

作者: 時間:2016-03-29 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  首次提出于1958年,近些年已逐漸流行起來。那么,什么是?它們與其它類型的放大器相比如何? 為什么對于音頻應(yīng)用很有意義?設(shè)計(jì)一個“優(yōu)質(zhì)”D類音頻放大器需要考慮哪些因素? 本文中試圖回答上述所有問題。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201603/288975.htm

  音頻放大器背景

  音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產(chǎn)生真實(shí)、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率范圍約為20 Hz~20 kHz,因此放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)(當(dāng)驅(qū)動頻帶有限的揚(yáng)聲器時頻率范圍減小,例如,低音揚(yáng)聲器或高音揚(yáng)聲器)。輸出功率能力根據(jù)應(yīng)用情況變化范圍很寬,從數(shù)毫瓦(mW)的耳機(jī),幾瓦(W)的電視(TV)或個人計(jì)算機(jī)(PC)音頻,幾十瓦的“迷你”家庭音響和汽車音頻,到幾百瓦和幾百瓦以上大功率的家用和商用音響系統(tǒng),以及劇場或音樂廳音響系統(tǒng)。

  一種音頻放大器的直接模擬實(shí)現(xiàn)使用晶體管在線性工作方式下產(chǎn)生一個與輸入電壓成比例的輸出電壓。正向電壓增益通常很高(至少40 dB)。如果正向增益是反饋環(huán)路的一部分,那么總的環(huán)路增益也會很高。經(jīng)常使用反饋環(huán)路,因?yàn)楦攮h(huán)路增益可以改善性能,抑制由于正向路徑中線性誤差造成的失真,并且通過增加電源抑制(PSR)減少電源噪聲。

  D類放大器的優(yōu)點(diǎn)

  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(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,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?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

  線性放大器輸出級直接連接到揚(yáng)聲器(有些情況下通過電容器連接)。如果輸出級使用雙極性結(jié)型晶體管(BJT),它們通常工作在線性方式下,具有大的集射極電壓。輸出級也可以用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體()晶體管實(shí)現(xiàn),如圖1所示。

    

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  圖1. 線性輸出級

  功率消耗在所有線性輸出級,因?yàn)楫a(chǎn)生輸出電壓VOUT的過程中不可避免地會在至少一個輸出晶體管內(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偏置電流流過輸出級晶體管(這是我們不期望的),而沒有提供給揚(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。由于只有信號電流流過晶體管,因而減少了輸出級功耗。但是B類放大器電路的音質(zhì)較差,因?yàn)楫?dāng)輸出電流過零點(diǎn)和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時會造成線性誤差(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。

  不幸的是,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,所以會產(chǎn)生很大的瞬時功耗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)通時具有零電流,并且在導(dǎo)通時具有很低的VDS,因而產(chǎn)生較小的功耗IDS×VDS。

    

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  圖2. D類開環(huán)放大器框圖

  由于大多數(shù)音頻信號不是脈沖串,因此必須包括一個調(diào)制器將音頻輸入轉(zhuǎn)換為脈沖信號。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號和與調(diào)制過程相關(guān)的重要的高頻能量。經(jīng)常在輸出級和揚(yáng)聲器之間插入一個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)動揚(yáng)聲器。為了保持開關(guān)輸出級的功耗優(yōu)點(diǎn),要求該濾波器(見圖3)是無損的(或接近于無損)。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。

    

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  圖3. 差分開關(guān)輸出級和LC低通濾波器

  圖4是A類放大器和B類放大器輸出級功耗(PDISS)的理想值與 AD1994 D類放大器輸出級功耗的測量值的比較。圖中的曲線是指給定的音頻正弦波信號的輸出級功率與揚(yáng)聲器提供的負(fù)載功率(PLOAD)之間的關(guān)系。其中負(fù)載功率相對最大負(fù)載(PLOAD max)功率水平歸一化,箝位的正弦波信號保證10%總諧波失真(THD)。圖中的垂直線表示PLOAD開始箝位的位置。

    

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  圖4. A類、B類放大器和D類放大器輸出級的功耗比較

  可以看出,對于多種負(fù)載其功耗明顯不同,尤其是在高端和中端值負(fù)載條件下。在箝位開始之初,D類放大器輸出級的功耗約是B類放大器的1/2.5,是A類放大器的1/27。應(yīng)當(dāng)注意,消耗在A類放大器輸出級的功率比傳遞到揚(yáng)聲器的功耗大,這是使用大的DC偏置電流的結(jié)果。

  輸出級功率效率Eff定義如下:

    

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  在箝位開始之初,A類放大器的Eff= 25%,B類放大器的Eff=78.5%,D類放大器的Eff=90%(見圖5)。對于A類放大器和B類放大器,這些最佳例證經(jīng)常在教科書中引用。

    

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  圖5. A類、B類和D類放大器輸出級的功率效率比較


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