D类功率放大器毕业设计.doc

2011届毕业设计说明D类功率放大器 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 纪文张 指导教师： 伍麟珺 专 业： 通信技术 班 级： 通信0801班 完成时间： 2011年5月 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CMOS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SCOM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(SCOM)，适用于移动设备。SCOM系统由两个COM系统和一个同步模块组成。同步块使两个COM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COM系统处于1800的低频相位，在扬声器负载上获得最大的电压摆幅。在明确SCOM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。SCOM结构采用了无滤波调制的方式，减小了芯片面积。采用210f2+10pH的扬声器负载模型，在反复计算调试的基础上设计SCOM系统电路图。 关键词：D类；音频功率放大器；SCOM；自激振荡ABSTRACT Class D audio power amplifier with high efficiency, energy saving, digital, small size, light weight, portable device to adapt to the objective needs of energy-efficient, resulting in the field of analog integrated audio has a great advantage. With the continuous advancement of design technology, D power amplifier performance indicators have gradually improved. This analysis is based on CMOS technology by Class D audio power amplifier of the structure, drive to achieve, sex-noise ratio, distortion and other aspects of the design of the circuit characteristics. The objective is to design research projects for mobile devices a Class D amplifier, both to provide efficient and can achieve high audio performance. Through access to a large number of foreign literature, This paper describes the principles and characteristics of various power amplifier, and compared their advantages and disadvantages, in this based on research presented in this paper the structure-based SCOM Class D audio power amplifier, and a detailed description its work.This article analyzes the traditional Class D audio power amplifier of the basic principles and presents a high-power high-efficiency Class D audio power amplifier. Class D amplifiers that control the oscillation of synchronous modulation (SCOM), for mobile devices. SCOM system consists of two COM system and a synchronization module. COM synchronized block so that the two systems to ensure accurate bilateral high-frequency phase three-level modulation, and differential structure to ensure that the two 1800 COM system is in the low-frequency phase, the speaker load for maximum voltage swing. SCOM structure in the explicitly on the basis of the principle of the work, the paper discusses specific.One operational amplifier and comparator circuit is a key part of the design, calculation and through repeated experiments, this design has good performance operational amplifiers and comparators, and the simulation and analysis. SCOM filter structure using a non-modulation mode, reducing the chip area. With 2 10f2 +10 p. H speaker load model, in the repeated calculation of debugging system based on the schematic design of SCOM. Key words: D class; audio power amplifier; scom; self-oscillation1引言11课题的背景和意义 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90以上，因此能极大地降低能源 损耗，减小放大器体积。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、PDA及其他类似便携 式应用中，以取代AB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、DVD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MP3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AB类(或线性)放大器具有更高的效率12l。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pj。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、AB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。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(MOSFET)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15J。近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的MOSFET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。12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1970年，MOSFET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： 第一代是由托卡塔设计的TacTMillennium，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PWM(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AB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。13本文主要内容本文的主要内容如下： 第1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2章 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 SCOM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SCOM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。2音频功率放大器简介21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、AB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OTL、OCL、BTL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AB类功放等。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HiFI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(1100输出功率)音质一般用于输出功率大的专业 功放。AB类功放的特点介于A类和B类之间，多用于家庭影院的AV功放。A 类音频功率放大器的最高工作效率为50，B类音频功率放大器的最高工作效率 为785，AB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 AB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30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10，C类为15%17，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55)，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CROWN公司的MA5000VZA功放，其最大输出功率可达4000W8f2(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USP3；可对1,-,2000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。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。20世纪80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。80年代中期欧洲首先 推出了采用MOSFET音频场效应管的功放，MOSFET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150W8fl等。90年代初，MOSFET的制造技术有了很大突破，出现了一种高速MOSFET大功率开关场效应晶体管。西班牙艺格公司 (ECLER)经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的SPM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MOSFET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MOSFET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20世纪60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。1983年，MBSandier等学者 提出了D类放大的PCM(脉码调制)数字功放的基本结构。主要技术要点是如何 把PCM信号变成PWM信号。美国Tripass公司设计了改进的D类数字功放，取名为“T”类功放。1999年意大利Powersoft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。22音频功率放大器的分类221 A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50。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(VCCS：Voltage Controlled CurrentSource)，本质上是一个单独的源极跟随器。简化电路图如图21所示。图2-1 A类放大器原理图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=1800(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Io大于输入电流，Q点(静 态偏置点)处于负载线的中心。图22 A类放大器的固定偏置点 由式(2-3)可见，当Vp=Vcc且Vp=IqRl时，A类放大器具有最大工作效率，为25。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1W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(Switching Distortion)，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。 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25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。 所以A类功放的体积和重量都比AB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AB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，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25， 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。222 B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785。其简化电路如图23所示。图2-3 B类放大器原理图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=900，其工作偏置点如图24所示。 电源输入功率为图24 B类放大器的固定偏置点可见，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DC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。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75，产生的热量较A类功放低， 容许使用较小的散热器。223 AB类功放 与前两类功放相比，AB类功放可以说是在性能上的妥协。AB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DC偏置电流，但它远小于单纯的A类放大器。小的DC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900至lJl800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。AB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。图25 AB类放大器原理图图26 AB类放大器的固定偏置点 如图25所示，AB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，AB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26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，因此每一个晶体管的功率损耗均大于B类放大器，即AB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，AB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AB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IDSxVDS。AB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10瓦的AB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AB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AB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。224 C类功放C类功放的原理图如图27所示，RL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。图27 C类放大器原理图 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6080。其工作偏置点如图28所示。图28 C类放大器的固定偏置点225 D类功放通过控制开关单元的ONOFF来驱动扬声器的放大器称为D类放大器。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。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23节。226 E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。227 F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。228 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、AB、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AB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016，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21所示。表2-1各类放大器性能比较由表21可以得知：D类放大器具有最高的工作效率，但是保真度比较低，这 可以通过改进D类放大器控制结构或引入信号处理理论来提高保真度，从而实现 高效率和低THD，这些将在下面的章节进行讨论。23 D类音频功率放大器的原理231 D类放大器的特点1高效率。常见的模拟放大器的效率在50左右，剩下的主要作为热量被消 耗。而D类放大器的效率可达到80-,90，不仅不浪费能量，有效地利用电源，还 能得到较大的功率输出。2低发热。以前的高发热模拟放大器，封装大，需要大的散热板，因此需要 较大的空间。而D类放大器发热少，能作小型封装。同时，不用散热板，从而能 节省空间。3低消耗电力。D类放大器效率高发热少，能减少不必要的功率消耗。在使 用电池和干电池供电的应用中，可保持长时间持续供电。 因为当输出晶体管在不导通时具有零电流，并且在导通时具有很低的VDS， 因而产生较小的功耗IDSxVDS。和AB类音频放大器相反，D类音频放大器在一个 给定时间内向负载提供一个固定量的功率。D类放大器产生一个可使输出电压在电源轨之间切换的PWM信号，从而能在向负载提供驱动电流时仅在输出晶体管上产 生很小的压降。D类放大器H桥中的理想输出晶体管，可拥有等于零I拘RDS(ON)(“开 态漏源电阻，即导通电阻)及无穷大的RDsfoFn(“关态漏源电阻，即关断电阻)。图2-9 D类放大器简化H桥 如图2-9所示，电流从电源通过第一个状态为“开的MOSFET，再流过负 载，最后流过后一个状态为“开”的MOSFET。由于两个MOSFET均完全饱和， 为“开”态，因此在其上只有很小的压降。分压电路由Ros(oN)、Rt)s(OFF)及输出负 载或扬声器RL组成，MOSFET的Rt)s(ON)极小，因此它上面几乎没有什么压降；相 反，“关态MOSFET的Ros(OFF)值却很大，因此可忽略通过它们的电流。由此可见，D类放大器具有很高的效率，因为和AB类放大器相比，只有极少量的功率被输出MOSFET消耗掉。由于D类音频功率放大器只工作在“0、l状态，其功率 开关器件要么导通要么截止，不在“放大区停留，因此功耗极小、效率极高， 效率高于96。所以D类音频功率放大器是高效、节能、数字化的音频功率放大器。 D类放大器与开关模式电源的工作方式相似，其中输出MOSFET要么是完全 启动(饱和)，要么是完全关闭(切断)的。因而可以减小晶体管的功率损耗，增 加放大器的效率。但在开关时间和非开关时间中总会有一定的功率损失(开关损 耗和传导损耗)。出现在开关时间内的损耗是由于MOSFET的上升时间和下降时 间大于零。出现这种情况有几个原因。第一，输出晶体管的开关并非即时完成。 从漏极到源极的通道需要一定的形成时间。第二，晶体管栅极电容和寄生电阻形 成RC时间常量，也增加了上升时间和下降时间。在非开关时间中的功耗是由于每个MOSFET的RDS(ON)和晶体管中的电流导致的。但总体而言，D类放大器的功率 损耗是最小的，正是由于该类器件的开关特性，使放大器实现了高得多的效率。D 类功放的功率损耗(简称功耗)主要由两部分组成：开关损耗和发热损耗。其中开关损耗就是输出级瞬间工作在线性区的电压电流乘积，而发热损耗是电流流过 导通管时由热效应引起的，其值等于电流平方和通态电阻的乘积。在电源电压为 额定值时，D类功放的效率高达80-90，对于语言和音乐信号，其实用效率为65-80，约等于AB类的2倍。232 D类音频功率放大器的性能指标 音频功率放大器的三个关键指标一总谐波失真(THD)、信噪比SNR(SignalNoise Ratio)和功率效率，使D类技术相对于模拟技术具有无可争议的优势。 1功率效率在输入信号的作用下，直流电源提供的直流功率B中，一部分被转换为输出 信号功率见，其余部分将消耗在功率放大器中，形成功率放大器的损耗Pc。放大器的功率效率定义为：由式(2-8)可知，町越大，给定功率凡时所需的R就越小，相应地Pc就越小，可选用PCM小的功率管，体积小的散热器。由此可见，在输出功率一定的条件下，提高率就意味着电源供给功率和放大器损耗功率下降。这对于降低能源损耗和 成本，减小功率放大器体积具有非常重要的意义。2.失真 失真是指功放的声频信号波形发生了不应有的变化。失真有谐波失真、互调失真、交叉失真、削波失真等。 (1)谐波失真：谐波失真是由功率放大器中的非线性元件引起的，这种非线性会使声频信号产生许多新的谐波成分。其失真大小是以输出信号中所有谐波的有效值与基波电压的有效值之比的百分数来表示，谐波失真度越小越好。 (2)互调失真：当功放同时输入两种或两种以上频率的信号时，由于放大器的非线性，在输出端会产生各频率以及谐波频率之间的和频及差频信号，这些新增 加的频率成分构成非线性失真。(3)交叉失真：又称交越失真，是由于功率放大器的B类推挽放大器功放管起 始导通的非线性造成的，它也是造成互调失真的原因之一。(4)削波失真：是功放管饱和时，信号被削波，输出信号幅度不能进一步增大 而引起的一种非线性失真。一个理想的D类功放没有失真，在可听波段没有噪音且效率是100。然而，实际的D类功放并不完美并且会有失真和噪音。其不完善是由于D类功放产生的失真开关波形造成的。原因是： (1) 从调制器到开关级由于分辨率限制和时间抖动而导致的PWM信号中的非线性。(2) 加在栅极驱动上的时间误差，如死区时间，开通关断时间，上升下降时间。(3) 开关器件上的不必要特征，比如限定电阻，限定开关速度或晶体二极管特性。(4) 杂散参数导致过渡边缘的振荡。(5) 由于限定的输出电阻和通过直流供电的能量的反作用而引起电源电压波动。(6) 输出LPF中的非线性。 一般来讲，在栅极信号中的开关时间误差是导致非线性的主要原因。特别是死区时间严重影响了D类功放的线性度。几十纳秒少量的死区时间很容易产生1 以上的THD。产生失真的机制包括调制技术或者调制器实现方案中的非线性以及为了防止直通(shootthrough)电流问题而在输出级引入的“死区(dead time)。关于音频信号强度的信息通常是通过D类调制器输出脉冲的宽度来编码的。为了防止输出级的直通电流而引入死区，就会带来非线性的定时误差，这又会在扬 声器上产生与相对于理想脉冲宽度的定时误差成正比的失真量。为了最大限度减 小失真，避免直通而引入的死区时间应该尽可能缩短。其它的失真源包括输出脉冲的上升和下降时间的不匹配、输出晶体管栅极驱动电路的定时特性的不匹配以及LC低通滤波器的元件的非线性。在电源波动抑制能力方面，电源噪声几乎可以在受到很小的抑制的情况下，直接耦合到扬声器上。之所以如此，是因为输出级的晶体管将电源通过一个很小的电阻直接连接到低通滤波器上。滤波器可以抑制高频噪声，但可以通过所有音频分量，包括噪声。D类放大器输出的高频分量值得认真考虑。如果不正确理解和处理，这些分量会产生大量EMI并且干扰其它设备的工作。两种EMI需要考虑：辐射到空间的信号和通过扬声器及电源线传导的信号。D类放大器调制方案决定传导EMI和辐射EMl分量的基线谱。但是可以使用一些板级的设计方法减少D类放大器发射的EMI，而不管其基线谱如何。一条有用的原则是将承载高频电流的环路面积减至最小，因为与EM相关的强度与环路面积及环路与其它电路的接近程度有关。另一个要注意的地方是当输出 级晶体管栅极电容开关时会产生大的瞬态电荷。通常这些电荷来自储能电容，从而形成一个包含两个电容的电流环路。通过将环路面积减至最小可降低环路中瞬态EMI的影响，意味着储能电容应尽可能靠近晶体管对它充电。 有时，插入与放大器电源串联的RF扼流线圈很有帮助。正确布置它们可将高频瞬态电流限制在靠近放大器的本地环路内，而不会沿电源线长距离传导。如果栅极驱动非重叠时间非常长，扬声器或LC滤波器的感应电流会正向偏置 输出级晶体管端的寄生二极管。当非重叠时间结束时，二极管偏置从正向变为反 向。在二极管完全断开之前，会出现大的反向恢复电流尖峰，从而产生麻烦的EMI源。通过保持非重叠时间非常短(还建议将音频失真减至最小)使EMI减至最小。如果反向恢复方案仍不可接受，可使用肖特基(Schottky)-极管与该晶体管的寄生 二极管并联，从而转移电流并且防止寄生二极管一直导通。这很有帮助，因为 Schottky二极管的金属半导体结本质上不受反向恢复效应的影响。由于D类的工作模式不同于AB类，会产生某些高频谐波。虽然这些谐波频率远远高于可听波频率，不能被人耳所听到但可能会对RF等高频信号产生干扰， 这就是D类技术必须面临的一大挑战一电磁干扰。与大多数开关应用一样，在D 类放大器设计中，工程师必须注意EMI性能。主要的EMI源来自MOSFET。体二极管自顶部流向底部的反向恢复充电。在插入以阻止电流直通的死区时间内，体二极管由输出LPF中的电感电流打开。在下个时段，当MOSFET的另一边开始打 开时，除非存储的少量载流子完全放电，否则体二极管将一直处于导通状态。这 个反向恢复电流具有尖峰形状，并由于PCB板和封装中的分布电容而引起不希望 的振荡。因此，对可靠的设计和降低EMI来说，PCB的布局都是至关重要的。同 时在技术上对D类音频功放增加输出MOSFET的栅极控制电路，防止了传统D类 放大器中感性负载自激所引起的高频辐射，大大降低了电磁干扰。3信噪比为了避免放