（微电子学与固体电子学专业论文）新型d类音频功率放大器设计.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：d 类音频功率放大器具有高效、节能、数字化、体积小、重量轻的特 点，适应便携设备高效节能的客观需求，从而在音频模拟集成领域具有很大的优 势。随着设计技术的不断进步，d 类功率放大器的性能指标也逐步提高。本文通 过分析基于c m o s 工艺的d 类音频功率放大器的构成、驱动实现、性噪比、失真 度等方面的特性来进行电路的设计。本课题的研究目标是设计一种用于移动设备 的d 类放大器，既能提供高效率又能实现高音频性能。 通过查阅大量中外文献，本文详细阐述了各种功率放大器的原理和特点，并 对比分析各自的优缺点，在此基础上提出了本文所研究的基于s c o m 结构的d 类音 频功率放大器，并详细介绍了其工作原理。 本文分析了传统d 类音频功率放大器的基本原理，并提出了一种高功率高效 率d 类音频功率放大器。这种d 类放大器采用同步控制振荡调制( s c o m ) ，适用 于移动设备。s c o m 系统由两个c o m 系统和一个同步模块组成。同步块使两个 c o m 系统在高频相位确保精确的双边三电平调制技术，而微分结构确保两个c o m 系统处于1 8 0 0 的低频相位，在扬声器负载上获得最大的电压摆幅。在明确s c o m 结构工作的原理的基础上，本文具体讨论了d 类音频功率放大器各模块的工作原 理和设计要点，对放大器的各个模块包括运算放大器电路、比较器电路、驱动电 路、功率输出级电路等进行了设计及仿真。其中运算放大器电路和比较器电路是 本设计的重点部分，通过反复的计算和实验，本文设计了具有良好性能的运算放 大器和比较器，并进行仿真和分析。s c o m 结构采用了无滤波调制的方式，减小 了芯片面积。采用2 1 0 f 2 + 1 0 p h 的扬声器负载模型，在反复计算调试的基础上设 计s c o m 系统电路图。 本设计采用c a d e n c e 软件的s p e c t r e - v 具，选用t s m c0 1 8 u mc m o s 工艺的设计 规则，对基于s c o m 结构的d 类音频功率放大器的各模块电路及整体电路进行设计 及仿真，电源电压3 3 v 。仿真的结果表明，本文设计的d 类音频功率放大器完成了 对音频信号的放大功能，电路符合设计要求。 关键词：d 类；音频功率放大器；s c o m ；自激振荡 分类号：t n 4 3 2 a b s t ra c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲e f f i c i e n c y , e n e r g yc o n s e r v a t i o n , d i g i t i z a t i o n , s m a l ls i z ea n dl i g h tw e i g h t ，c l a s sd a u d i op o w e ra m p l i f i e ra d a p t st ot h e o b j e c t i v en e e d so fe n e r g ye f f i c i e n tp o r t a b l ed e v i c e sa n dh a sg r e a ta d v a n t a g e si nt h ef i e l d o fa u d i oa n a l o gi n t e g r a t i o n w i t ht h ec o n t i n u o u sa d v a n c e m e n to fd e s i g nt e c h n o l o g y , c l a s sdp o w e ra m p l i f i e ri si nh i g h e rp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , t h ec i r c u i t s a r e d e s i g n e db yt h ea n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s i t i o no fc l a s sda u d i op o w e r a m p l i f i e rb a s e do nc m o st e c h n o l o g y , r e a l i z a t i o no f t h ed r i v e ，s n ra n dd i s t o r t i o n ，e t c t h et a r g e to ft h i sr e s e a r c hi st od e s i g nac l a s sda u d i op o w e ra m p l i f i e rf o rm o b i l e a p p l i c a t i o n s ，o f f e r i n gb o t hh i g he f f i c i e n c ya n dh i g ha u d i op e r f o r m a n c e a f t e rs t u d y i n gal a r g en u m b e ro fc h i n e s ea n df 0 崩朗l i t e r a t u r e ，t h ep a p e r e l a b o r a t e so nt h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sp o w e ra m p l i f i e r sa n d c o m p a r a t i v e l ya n a l y z e st h e i rs t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e s o nt h i sb a s i sc l a s sd a u d i o p o w e ra m p l i f i e rb a s e do nt h es t r u c t u r e o fs c o mi sa d v a n c e di n t h i sp a p e r a n di t s p r i n c i p l e sa r ee l a b o r a t e d t h i sp a p e ra n a l y z e st h eb a s i cp r i n c i p l e so ft r a d i t i o n a lc l a s sda u d i op o w e r a m p l i f i e ra n da d v a n c e sah i g h - - p o w e ra n dh i g h - - e f f i c i e n c yc l a s sd a u d i op o w e ra m p l i f i e r w i t ht h es t r u c t u r eo fs y n c h r o n o u sc o n t r o lo s c i l l a t i o nm o d u l a t i o n ( s c o m ) ，c l a s sd a m p l i f i e r sa r ea p p l i c a b l et om o b i l ed e v i c e s a ns c o ms y s t e mi sm a d eo f2c o m s y s t e m s ，a n das y n c h r o n i z a t i o nb l o c k t h es y n c h r o n i z a t i o nb l o c ke n s u r e sp r e c i s e d o u b l e - s i d e d3 - l e v e lm o d u l a t i o n ，b yk e e p i n gt h e2c o ms y s t e m si np h a s eh i g h f r e q u e n c y , w h i l et h ed i f f e r e n t i a ls t r u c t u r ee n s u r e st h a tt h e2c o ms y s t e m sa r e18 0 0o u t o fp h a s el o wf r e q u e n c y ，m a x i m i z i n gt h ev o l t a g es w i n ga c r o s st h es p e a k e rl o a d a f t e r r e a l i z i n gt h ep r i n c i p l eo fs c o m ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ep r i n c i p l ea n dm a i np o i n t so f t h ed e s i g no fe v e r yb l o c ki nc l a s sda u d i op o w e ra m p l i f i e ra n dt h e nm a k ed e s i g na n d s i m u l a t i o no fe v e r yb l o c ko ft h ea m p l i f i e ri n c l u d i n go p e r a t i o n a la m p l i f i e rc i r c u i t ， c o m p a r a t o rc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ，p o w e ro u t p u ts t a g e ，e t c t h eo p ac i r c u i t a n d c o m p a r a t o rc i r c u i ta r et h em a i np o i n t so ft h i sr e s e a r c h t h r o u g ht h er e p e a t e dc a l c u l a t i o n a n de x p e r i m e n t s ，a no p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n dac o m p a r a t o rw i t hg o o dp e r f o r m a n c e sa r e a d v a n c e d ，w h i c hi sa ni n n o v a t i v ed e s i g no ft h i sp a p e r t h e ns i m u l a t i o na n da n a l y s i sa r e g i v e nt ot h e m s c o ms t r u c t u r ew i t h o u tm o d u l a t i o nf i l t e r i n gr e d u c e st h ec h i p a r e a s c o ms y s t e mc i r c u i t sw i t has p e a k e ro f2 1 0 q + 1 0 1 t ha r ed e s i g n e db a s e do nt h e c a l c u l a t i o na n dr e p e a t e dt e s t i n g 1 北京交通大学硕士学位论文 e v e r yb l o c ka n dt h ew h o l ec i r c u i to fc l a s sd a u d i op o w e ra m p l i f i e rb a s e do nt h e s t r u c t u r eo fs c o ma r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e dw i t hs p e c t r eo fc a d e n c e ，c h o o s i n g t s m co 18 u mc m o st e c h n o l o g y t h ev o l t a g eo fp o w e rs u p p l yi s3 3 v s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es c o ms y s t e mc i r c u i t sh a v eag o o dp e r f o r m a n c e ，m e e t i n gt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s - c l a s sd ；a u d i op o w e ra m p l i f i e r ；s c o m ；s e l f - o s c i l l a t i n g c l a s s n o ：t n 4 3 2 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：秒 黼期：叫年么月占日 7 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 西1 两 一期。冲6 服 导师签名：毒杀彳易 签字日期：涉班乒易月膺日 致谢 本论文的工作是在我的导师袁晓君教授的悉心指导下完成的，袁晓君教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 袁晓君老师对我的关心和指导。 袁晓君教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在此向袁晓君老师表示 衷心的谢意。 骆丽教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在学习上和生 活上都给予了我很大的关心和帮助，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，曹淑新同学对我论文的研究工作给予了热情 帮助，在此向他表达我的感激之情。赵博、关楠楠、周倩、肖毅平等同学也给予 我很多帮助，在这里也对他们表示感谢。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 引言 1 1 课题的背景和意义 1 引言 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9 0 以上，因此能极大地降低能源 损耗，减小放大器体积【l 】。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、p d a 及其他类似便携 式应用中，以取代a b 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、d v d 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m p 3 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a b 类( 或线性) 放大器具有更高的效率1 2 l 。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p j 。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、a b 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【4 j 。 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 北京交通大学硕士学位论文 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( m o s f e t ) 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1 5 j 。近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的m o s f e t 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1 9 7 0 年，m o s f e t 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【6 】： 第一代是由托卡塔设计的t a c t m i l l e n n i u m ，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p w m ( 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a b 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。 1 3 本人主要工作 本课题研究的主要任务是设计一种d 类音频功率放大器，具有较高的效率， 2 引言 较低的功耗，较小的非线性失真，较强的电流驱动能力和稳定性，适用于移动便 携式电子产品。 本设计采用s c o m ( 同步控制振荡调制) 系统、全桥结构和自激振荡设计闭 环控制d 类功率放大器。采用t s m c0 1 8 u mc m o s 工艺，电源电压3 3 v 。 本人的主要工作是： ( 1 ) 设计一个适用于s c o m 结构的高性能运算放大器，并进行仿真和分析； ( 2 ) 设计一个适用于s c o m 结构的高性能比较器，并进行仿真和分析； ( 3 ) 设计驱动电路和功率输出级，并进行仿真和分析； ( 4 ) 完成d 类音频功率放大器s c o m 系统电路的设计及仿真； ( 5 ) 进行版图设计考虑。 1 4 本文主要内容 本文的主要内容如下： 第一章为引言部分，主要介绍d 类音频功率放大器的背景及国内外研究现状。 第二章介绍音频功率放大器的基础知识，列举各种常用功放并进行对比总结。 然后介绍了d 类音频功率放大器的工作原理及各种性能指标，并提出本设计的 s c o m 结构，介绍其工作原理。 第三章是本文的重点，介绍运放的原理，比较各种运放结构后提出本文设计 的结构，并对其各种性能参数进行仿真，各项指标均满足设计要求。 第四章也是本文的重点，介绍了比较器的工作原理，并提出本文的设计思想。 然后对设计的电路进行仿真，其结果满足设计要求。 第五章设计了d 类功率放大器的驱动电路和输出级，并进行了仿真。 第六章提出s c o m 结构的系统电路并进行仿真。进行版图设计考虑。 第七章对本文进行了总结。 音频功率放大器简介 2 音频功率放大器简介 2 1 音频功率放大器的发展历程 几十年来在音频领域中，a 类、b 类、a b 类音频功率放大器一直占据重要地 位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路的过程； 电路组成从单管到推挽的过程；电路形式从变压器输出到o t l 、o c l 、b t l 形式 的过程。其基本类型是模拟音频功率放大器，它最大的缺点是效率太低。模拟功 放是以线性放大为基础，功率放大器件有电子管和晶体管两种。按功放静态工作 点的设置可分为a 类功放，b 类功放和a b 类功放等【7 - l o 】。 a 类功放的失真最小，音质好，但电源的转换效率最低，器件的发热量大， 生产成本高，一般用于输出功率较小的h i f i 发烧级功放。b 类功放的失真比a 类 大些，尤其是在小信号放大时( 1 1 0 0 输出功率) 音质一般用于输出功率大的专业 功放。a b 类功放的特点介于a 类和b 类之间，多用于家庭影院的a v 功放。a 类音频功率放大器的最高工作效率为5 0 ，b 类音频功率放大器的最高工作效率 为7 8 5 ，a b 类音频功率放大器的工作效率介于二者之间。无论a 类、b 类或 a b 类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定功率时，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3 0 左右。 电子管由于它的转换速率高( 影响高音品质的参数) ，工作可靠，偶次谐波 失真小( 听觉对偶次谐波失真特别敏感) ，音质好等因素，一直被人们宠爱，但 缺点是电源利用率极低，电子管a 类放大的效率不到1 0 ，c 类为1 5 0 o , , 1 7 ，大 部分电能变为热量耗散掉。由于耗电大，发热高，体积和重量大，耗材多，成本 高等缺点，在专业音响系统中已被晶体管所替代。 晶体管功放的最大优点是电源转换效率高( c 类功放最大可达5 5 ) ，体积 小，重量轻，发热量不大，生产成本低，缺点是转换速率低，偶次谐波失真较大， 音质和可靠性指标都略逊于电子管功放。 随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性 指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更 多的功能和智能化方向发展，如美国c r o w n 公司的m a 5 0 0 0 v z a 功放，其最大 输出功率可达4 0 0 0 w 8 f 2 ( 桥接，单通道) ；完善的可靠性设计使它在苛刻的环境 中可连续工作，使得生产者可作三年免维护的保证；插入可编程的输入处理模块 u s p 3 ；可对1 , - , 2 0 0 0 台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。各种完善的 可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高，可与电子管功放媲美。 北京交通大学硕士学位论文 晶体管功放具有许多宝贵优点，它的失真低于万分之一，但其音质听觉效率 总不如电子管功放那么逼真，细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐， 弦乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。2 0 世纪8 0 年代初，欧洲有些专业公司 开始研究晶体管功放与电子管功放之间的性能差异及解决办法。电子管是一种电 压控制器件，需要的控制功率极微，开关速率很快。晶体管是一种电流控制器件， 需有较大的控制电流，转换速率较慢，这是最基本的差别。8 0 年代中期欧洲首先 推出了采用m o s f e t 音频场效应管的功放，m o s f e t 具有晶体管的基本优点。但 使用不久后发现这种功放的可靠性不高( 无法进行外电路保护) ，开关速度提高 得不多和最大输出功率仅为1 5 0 w 8 f l 等。9 0 年代初，m o s f e t 的制造技术有了很 大突破，出现了一种高速m o s f e t 大功率开关场效应晶体管。西班牙艺格公司 ( e c l e r ) 经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的s p m 专利技术，推出了集电子 管功放和晶体管功放两者优点结合的第三代功放产品，在欧洲市场上获得了认可， 并逐步在世界上得到了应用。第三代m o s f e t 功放的中频和高频音质接近电子管 功放，但低频的柔和度比晶体管功放差一些，此外m o s f e t 开关场效应晶体管容 易被输出和输入过载损坏。 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为热能，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。因此，模拟音频功率放 大器效率低，所需散热器大，笨重，不符合当前节能环保的要求。为了提高音频 功率放大器的效率，科学技术人员做了大量的研究试验工作。早些时候人们已经 论证了d 类音频功率放大器的存在。数字功放的概念早在2 0 世纪6 0 年代就有人 提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1 9 8 3 年，m b s a n d i e r 等学者 提出了d 类放大的p c m ( 脉码调制) 数字功放的基本结构。主要技术要点是如何 把p c m 信号变成p w m 信号。美国t r i p a s s 公司设计了改进的d 类数字功放，取 名为“t ”类功放。1 9 9 9 年意大利p o w e r s o f t 公司推出了数字功放的商业产品，从 此，第四代音频功率放大器数字功放进入了工程应用领域，并获得了世界同 行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放。 2 2 音频功率放大器的分类 2 2 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 6 音频功率放大器简介 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5 0 1 1 1 】。 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( v c c s ：v o l t a g ec o n t r o l l e dc u r r e n t s o u r c e ) ，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 - 1a 类放大器原理图 f i g u r e2 - 1 t h ec i r c u i to f c l a s saa m p l i f i e r 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0 = 1 8 0 0 ( 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i o 大于输入电流，q 点( 静 态偏置点) 处于负载线的中心【1 2 , 1 3 】。 输出负载的平均功率r 为： 只= 三孚 ( 2 - 1 ) z “， 电源输入功率为： b = 2 j 口 ( 2 - 2 ) 工作效率刁为： 气p l x1 0 0 = 三( 丧 ( 黔瑚 倍3 ， 7 北京交通大学硕士学位论文 7 2 万3 n 4 7 r5 7 r 一_ - _ _ 一 。 图2 2a 类放大器的固定偏置点 f i g u r e2 - 2 t h ec o n s t a n to f f s e to fc l a s sa a m p l i f i e r 由式( 2 3 ) 可见，当f e = f c c 且v 尸= i o r 时，a 类放大器具有最大工作效率，为 2 5 。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1 w 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( s w i t c h i n gd i s t o r t i o n ) ，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，但许多仍转变为热型1 4 】。 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2 5 w 的a 类功放供电器的能力至少够1 0 0 瓦a b 类功放使用。 所以a 类功放的体积和重量都比a b 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a b 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， 8 音频功率放大器简介 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2 5 ， 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 2 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7 8 5 。 其简化电路如图2 3 所示。 + v c c - v c c 图2 - 3b 类放大器原理图 f i g u r e2 - 3 t h ec i r c u i to fc l a s sba m p l i f i e r 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0 = 9 0 0 ，其工作偏置点如图2 4 所示。 设输出信号为v e s i n w t ，可得输出负载的平均功率凡为 r = 圭乏 倍4 ， 电源输入功率为 9 北京交通大学硕士学位论文 纠 万2 n 3 万4 n 5 n 。一_ 。一- _ _ 一_ _ _ 一- _ _ 一 国 国 缈国缈 图2 4b 类放大器的固定偏置点 f i g u r e2 - 4t h ec o n s t a n to f f s e to f c l a s sba m p l i f i e r ( 2 - 5 ) 工作效率( 7 7 ) 为 ：lpr 1 0 0 ：堕1 0 0 ( 2 6 ) = l = 兰上 ( 2 6 ) b4 。 由式( 2 6 ) 可见，当忙时，b 类放大器具有最大工作效率，为 7 7 ( m a ) 【) = 等= 7 8 5 ( 2 - 7 ) q 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d c 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【1 5 1 。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7 5 ，产生的热量较a 类功放低， 容许使用较小的散热器。 2 2 3a b 类功放 与前两类功放相比，a b 类功放可以说是在性能上的妥协。a b 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d c 偏置电流，但它远小于单纯的a 1 0 音频功率放大器简介 类放大器。小的d c 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9 0 0 至l j l 8 0 0 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。a b 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。 v o 图2 5a b 类放大器原理图 f i g u r e2 - 5 t h ec i r c u i to fc l a s sa b a m p l i f i e r 7 2 n 3 万4 n 5 万 图2 6a b 类放大器的固定偏置点 f i g u r e2 - 6 t h ec o n s t a n to f f s e to fc l a s sa ba m p l i f i e r 如图2 5 所示，a b 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，a b 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 北京交通大学硕士学位论文 体管的功率损耗均大于b 类放大器，即a b 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，a b 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a b 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i d s x v d s 。a b 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1 0 瓦 的a b 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a b 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a b 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 2 4c 类功放 c 类功放的原理图如图2 7 所示，r l 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。 v i n 图2 7c 类放大器原理图 f i g u r e2 7 t h ec i r c u i to fc l a s sca m p l i f i e r 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 1 2 音频功率放人器简介 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6 0 8 0 。其工作偏置点如图2 8 所示。 7 1 2 x 3 万4 n 5 x - _ 一。_ 一_ _ _ 国国 国缈国 图2 8c 类放大器的固定偏置点 f i g u r e2 - 8 t h ec o n s t a n to f f s e to fc l a s sca m p l i f i e r 2 2 5d 类功放 通过控制开关单元的o n o f f 来驱动扬声器的放大器称为d 类放大器。斯 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【1 6 j 。 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。本文将针对此类功放展开讨论，详见2 3 节。 北京交通大学硕士学位论文 2 2 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 2 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1 7 】。 2 2 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 、a b 、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a b 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 1 6 ，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。 1 4 音频功率放大器简介 表2 - 1 各类放大器性能比较 t a b l e 2 1 c o m p a r i s o no f c o m m o na m p l i f i e r s 放大器种类保真度最大效率 a极好2 5 模拟a b好 6 0 d b ，t h d v m 时，比 较器输出高电平，反之，输出低电平。这样把输入信号的大小转变为输出脉冲的 宽窄，相当于用输入信号v i n 去调制载波v m ，从而形成占空比随