D类放大器简介.doc

37a1fc4bfdf093a803e66f1f8076abf8.pdf D类放大器简介林志明摘 要: 本文主要介绍D类放大器的工作原理以及以TPA3100D2为例实际应用电路的相关说明。关键词: D类放大器、TPA3100D2、散热、PWM、效率 目录一、 放大器分类及简介；1、 A类放大器；2、 B类放大器；3、 AB类放大器；4、 D类放大器；二、 TPA3100D2实际应用电路介绍以及注意事项；1、 实际电路及参数意义；2、 注意事项。一、 放大器分类及简介功率放大器广泛地应用于多种现代设备当中。通常放大器能将低功率的输入信号转换放大为几瓦或更高功率的信号输出，理想情况下，输入信号波形应该没有任何改变地被复制放大。市场上共存着多种类型功率放大器，并按照导通时间的不同分类。 1、 A类放大器(Class A Amplifier) A类放大器晶体管总是处于导通状态，也就是说没有信号输入时，晶体管也有输出功率，因此晶体管会变得很热，大部分功率都浪费在了产生热量上。尽管其效率很低(约20%)，但精度非常高，失真很小。其基本结构如右图：2、 B类放大器(Class B Amplifier) B类放大器采用两只晶体管，每只晶体管工作半个周期，一只晶体管工作于输入信号的正半周，另一只晶体管则工作于输入信号的负半周。因此在理论上两只晶体管不会在同一时间内导通。在没有输入的情况下，两只晶体管均处于截止状态且无输出功率，故而其效率高于A类放大器。不过由于晶体管都需要一定的开通时间，因此在两只管子交替过程中输出端存在一个短暂的无输出功率状态。这个无功率区域称为交越区(crossover region)，如图1.2所示，这就造成了相对较大的信号失真。所以B类放大器虽然具有很好的效率，但同时精度也不高。 3、 AB类放大器(Class AB Amplifier) AB类放大器与B类放大器非常相似，但由于AB类放大器增加了两个消除交越区的二极管，可使两只晶体管在同一时刻导通，因而其性能有所改善。AB类放大器的效率(约为50%)不如B类放大器高，因为其两只晶体管可在同一时刻导通，但精度得到了提高，因此常作为音频放大器使用。 其基本结构如右下图：前面所介绍的三类放大器，差异仅仅在导通时间的选择上。A类放大器一直工作在放大导通状态，显然具有最大的静态工作电流，也就是它在没有输入信号的时候也会消耗电流，因而显然它的效率是最低的。但是，只要选择合适的工作点，它通常具有最低的失真。B类放大器则选择了50%的导通时间，它的效率肯定比A类放大器要高，但是由于存在交越区的缘故，失真也将要严重很多。AB类放大器则是B类的改进，尽力消除了交越区。它的导通时间也是介于50%到100%之间。很明显的，线性放大器最大的问题就是效率，线性放大器理想的效率也只有78，实际效率可能只有30，应用在电视、音响方面将不可避免的出现散热、尺寸方面的冲突，产生额外的消耗，提高了成本。4、D类放大器(Class D Amplifier)D类放大器是一种完全不同的放大器，其实称之为D类放大器似乎并不恰当。D类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术PWM(Pulse Width Modulation)。所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。这样要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放放大就可以了。而原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的宽度之中。只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。在没有信号的时候，输入信号就是对称方波。所以如果在放大的时候，幅度上产生失真并不会使原来的音频信号产生失真。在这种状态下的放大器就可以完全工作在开关状态。而在开关工作状态，晶体管的效率是非常高的。原因是在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小(由其饱和电阻决定)，而在截止的时候，加在晶体管的电压很高，但是流过晶体管的电流很小(只是其漏电流而已)。这种方法还可以使晶体管在没有音频信号时完全工作在截止状态，这样其效率就更高。这种脉宽调制将用一个等幅三角波来对音频信号进行采样，为了避免失真这个三角波的频率必须远高于音频信号的最高频率分量（通常为250 kHz）。其基本结构如下图所示：可见，D类放大器的电路共分为三级：输入开关级、功率放大级以及输出滤波级。首先是输入开关级，通过一个如上图所示的比较器将音频信号与高频三角波进行比较，当反相端电压高于同相端电压时，输出为低电平；当反相端电压低于同相端电压时，输出为高电平。比较器的输出则与功率放大电路相连，功放电路采用金属氧化物场效应管(MOSFET)替代双极型晶体管(BJT)，这是由于前者具有更快的响应时间，因而适用于高频工作模式。D类放大器需要两只MOSFET，它们在非常短的时间内可完全工作在导通或截止状态下。当一只MOSFET完全导通时，其管压降很低；而当MOSFET完全截止时，通过管子的电流为零。两只MOSFET交替工作在导通和截止状态的开关速度非常快，因而效率极高，产生的热量很低，所以D类放大器基本不需要散热器。 基本原理如右图：音频信号经D类放大器中的功放级之后通过一个低通滤波器来恢复原始信号，一个简单的LC滤波器可以将PWM信号复原为具有一定失真的模拟信号波形。采用这样的结构，D类放大器能达到85甚至90的效率，远高于线性放大器，失真方面只要输入开关级提供的三角波频率远远高于音频频率，失真将极其微小。 Amoi液晶电视产品目前已经全面使用的TPA3100D2、TPA3101D2就是D类放大器的典型代表。它仍是属于需要外置lc滤波网络的D类放大器，在很小的空间内就实现了比较大的音频输出功率，是实现U系列音频设计目标的有力工具。在二系列大尺寸机型的IO板上还能见到LX1722,是另一版本的D类放大器，只不过它只集成输入开关级，需要搭配相应的功放级和滤波电路才能使用。二、TPA3100D2实际应用电路介绍以及注意事项；1、实际电路：这是在目前AMOI电视项目使用较多的TPA3100D2，其基本规格是QFN封装，单路20W输出（24V供电、8欧姆负载），目前周边的电路参数基本参照其规格要求配置（现使用在U系列中）。较为重要的周边参数如下：、gain0、gain1：控制TPA3100D2的增益，现状U系列定为26dB，即20倍。本身芯片还有其他倍数的选项，最大可达40倍（36dB）。此处参数应配合营销部门所确定的整机输出功率的要求和音频前级的参数进行配合，不宜盲目设定为最大倍数。、MSTR/SLV：控制功放工作模式，若是高，则工作在主模式，sync脚为同步脉冲输出脚，输出250kHz的方波，若是低，则功放工作在从模式，sync脚接收另一片功放（也可以由其他器件产生，幅度不能超出Vreg）送来的250kHz的方波。若是双功放的电路推荐使用主从模式可保证两颗功放工作完全同步。若功放设置成从模式却没有收到同步方波，虽然也可以进行音频放大，效率会很低，极易发生过热保护，停止工作，只有重新上电才能恢复。、mute：置高为静音，置低为正常工作，连接静音电路；、shutdown：在U系列IO板回路中连接scaler的GPIO口，受主系统的控制，置高为工作状态，置低为待机。因此，要慎重选择GPIO口，注意系统初始化时，该GPIO口须处于低电平，防止功放意外工作导致噪声。、Vreg：4V参考电位脚，芯片内的gain0、gain1、MSTR/SLV、mute均以此脚为参考。不可用来给外部电路额外提供电流，需要接一个0.1uF的电容来保持校准的精度。、CV77、CV79：电源滤波用，宜使用220uF及以上的电解电容。D类放大器的失真极其依赖电源的干净程度。若电源干净，波动小，干扰小，此电容可以适当减小容量，否则应确保220uF。此电容同样作为瞬间音频大信号输出的缓冲。此参数能直接影响输出音频的失真，须谨慎。TI的正式推荐参数为220uF电解电容。、额外的散热区：芯片底部的散热区，要紧密连接焊盘，也是芯片内部信号的大地，要单点连接至AGND以及PGND，须在pcb背面铺设大面积的铺铜保证功放芯片的散热，并注意过孔的直径要控制为0.3mm，过大可能引起部品面feflow中未完全融化的锡膏融化造成功放芯片引脚短路。U系列IO板手工调试时就出现过此处焊接不良引起的过热保护，发生功放工作极不稳定的现象。、lv35、lv36、lv37、lv38：外置滤波电感，与两侧的电容组成4阶滤波器，起到减小纹波，滤除高频信号，将高频脉冲回复成音频信号，确保EMI的作用。注意现状使用的贴片电感漏磁的现象比较严重，视频信号应尽量远离此电感到IO板背面走线，若仍发生干扰的问题，可以把贴片电感贴付的方向反过来试试。、输出级的滤波电容不可使用铝电解电容，原因是铝电解电容存在较大的ESR，在大电流充放电的状态下发热严重，甚至能引起电容损坏。现状实际电路中使用的是聚乙烯电容。、输入电容和芯片里的输入电阻器到高通滤波的作用，实际取0.47 uF。输入电容现状使用陶瓷电容。此为TI的推荐值。2、注意事项：D类放大器的一个缺点就是emi恶化，需要在喇叭连接线上额外追加磁环。ROSC脚的电阻的值会影响到功放的开关频率，FOSC=1/2*R*C,C为20p，现状时间电路使用电阻为100K，开关频率为250K。此频率不能太大，会降低功放的