D類(lèi)放大器,D類(lèi)放大器是什么意思
作者：
時(shí)間：2013-11-09
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
收藏
加入技術(shù)交流群
掃碼加入
和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
海量資料庫(kù)查詢(xún)
輸出級(jí)保護(hù)
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：
過(guò)熱：盡管d類(lèi)放大器輸出級(jí)功耗低于線(xiàn)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。
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。
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)電源電壓大于欠壓封鎖閾值時(shí)才允許輸出級(jí)工作。
輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)序：mh和ml輸出級(jí)晶體管（見(jiàn)圖6）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(chēng)為非重疊時(shí)間或死區(qū)時(shí)間。
圖6、輸出級(jí)晶體管的先合后開(kāi)開(kāi)關(guān)
注：switching output stage＝開(kāi)關(guān)輸出級(jí)
nonoverlap time＝非重疊時(shí)間
on＝導(dǎo)通
off＝斷開(kāi)
音質(zhì)
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。
“咔嗒”聲：當(dāng)放大器導(dǎo)通或斷開(kāi)時(shí)發(fā)出的咔嗒聲非常討厭。但不幸的是，它們易于引入到d類(lèi)放大器中，除非當(dāng)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)。
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(mǎn)意的總體snr。
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(xiàn)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。
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(xiàn)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；欲了解優(yōu)化開(kāi)關(guān)輸出級(jí)失真性能的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法請(qǐng)參看深入閱讀資料2。
其它失真源包括：輸出脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間的不匹配，輸出晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)序特性的不匹配，以及l(fā)c低通濾波器元器件的非線(xiàn)性。
電源抑制(psr)：在圖2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。關(guān)于對(duì)單端和差分開(kāi)關(guān)輸出級(jí)電路電源噪聲影響的詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參看深入閱讀材料3。
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。
幸運(yùn)的是，有一些好的解決方案來(lái)解決這些問(wèn)題。使用具有高環(huán)路增益的反饋（正如在許多線(xiàn)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(xiàn)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)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)。
但反饋使得放大器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因?yàn)楸仨殱M(mǎn)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。
為了將ic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，并且調(diào)整調(diào)制器行為以進(jìn)行補(bǔ)償，這可以參看深入閱讀資料3。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。
調(diào)制技術(shù)
d類(lèi)放大器調(diào)制器可以有多種方法實(shí)現(xiàn)，擁有大量的相關(guān)研究和知識(shí)產(chǎn)權(quán)支持。本文只介紹基本概念。
所有的d類(lèi)放大器調(diào)制技術(shù)都將音頻信號(hào)的相關(guān)信息編碼到一串脈沖內(nèi)。通常，脈沖寬度與音頻信號(hào)的幅度相聯(lián)系，脈沖頻譜包括有用的音頻信號(hào)脈沖和無(wú)用的（但無(wú)法避免）的高頻成分。在所有方案中，總的綜合高頻功率大致相同，因?yàn)樵跁r(shí)域內(nèi)波形的總功率是相同的，并且根據(jù)parseval定理，時(shí)域功率必須等于頻域功率。但是，能量分布變化很大：在有些方案中，低噪聲本底之上有高能量音調(diào)，而在其它方案中，能量經(jīng)過(guò)整形消除了高能量音調(diào)，但噪聲本底較高。
最常用的調(diào)制技術(shù)是脈寬調(diào)制（pwm）。從原理上講，pwm是將輸入音頻信號(hào)與以固定載波頻率工作的三角波或斜波進(jìn)行比較。這在載波頻率條件下產(chǎn)生一串脈沖。在每個(gè)載波周期內(nèi)，pwm脈沖的占空比正比于音頻信號(hào)的幅度。在圖7的例子中，音頻輸入和三角波都以0 v為中心，所以對(duì)于零輸入，輸出脈沖的占空比為50%。對(duì)于大的正輸入，占空比接近100%，對(duì)于大的負(fù)輸入，占空比接近0%。如果音頻幅度超過(guò)三角波的幅度，就會(huì)發(fā)生全調(diào)制，這時(shí)脈沖串停止開(kāi)關(guān)，占空比在具體周期內(nèi)為0%或100%。
pwm之所以具有吸引力是因?yàn)樗趲装偾Ш誴wm載波頻率條件下（足夠低以限制輸出級(jí)開(kāi)關(guān)損失）允許100 db或更好的音頻帶snr。許多pwm調(diào)制器在達(dá)到幾乎100%調(diào)制情況下也是穩(wěn)定的，從原理上允許高輸出功率，達(dá)到過(guò)載點(diǎn)。但是，pwm存在幾個(gè)問(wèn)題：首先，pwm過(guò)程在許多實(shí)現(xiàn)中會(huì)增加固有的失真（參看深入閱讀資料4）；其次，pwm載波頻率的諧振在調(diào)幅（am）無(wú)線(xiàn)電波段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生emi；最后，pwm脈寬在全調(diào)制附近非常小。這在大多數(shù)開(kāi)關(guān)輸出級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)電路中會(huì)引起問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兊尿?qū)動(dòng)能力受到限制，不能以重新產(chǎn)生幾納秒（ns）短脈寬所需要的極快速度適當(dāng)開(kāi)關(guān)。因此，在基于pwm的放大器中經(jīng)常達(dá)不到全調(diào)制，可達(dá)到的最大輸出功率要小于理論上的最大值，即只考慮電源電壓、晶體管導(dǎo)通電阻和揚(yáng)聲器阻抗的情況。
一種替代pwm的方案是脈沖密度調(diào)制（pdm），它在給定時(shí)間窗口（脈沖寬度）的脈沖數(shù)正比于輸入音頻信號(hào)的平均值。其單個(gè)的脈寬不像pwm那樣是任意的，而是調(diào)制器時(shí)鐘周期的“量化”倍數(shù)。1 bit Σ-Δ調(diào)制是pdm的一種形式。
Σ-Δ調(diào)制中的大量高頻能量分布在很寬的頻率范圍內(nèi)，而不是像pwm那樣集中在載波頻率的倍頻處，因而Σ-Δ調(diào)制潛在的emi優(yōu)勢(shì)要好于pwm。在pdm采樣時(shí)鐘頻率的鏡像頻率處，能量依然存在；但在3 mhz～6 mhz典型時(shí)鐘頻率范圍，鏡像頻率落在在音頻頻帶之外，并且被lc低通濾波器強(qiáng)烈衰減。
Σ-Δ調(diào)制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是最小脈寬是一個(gè)采樣時(shí)鐘周期，即使是對(duì)于接近全調(diào)制的信號(hào)條件。這樣簡(jiǎn)化
電子管相關(guān)文章:電子管原理
評(píng)論