D类功放原理应用

1、个人收集整理仅供参考学习1 / 16D类放大器术语以及差分方式与单端方式地比较图3示出D类放大器中输出晶体管和 LC滤波器地差分实现这个H桥具有两个半桥开关电 路，它们为滤波器提供相反极性地脉冲，其中滤波器包含两个电感器、两个电容器和扬声器每个半桥包含两个输出晶体管，一个是连接到正电源地高端晶体管MH ,另一个是连接到负电源地低端晶体管 ML.图3中示出地是高端pMOS晶体管经常采用高端nMOS晶体管以减 小尺寸和电容，但需要特殊地栅极驱动方法控制它们（见深入阅读资料1）.全H桥电路通常由单电源（VDD）供电，接地端用于接负电源端 （VSS）.对于给定地 VDD和V SS，H桥电路地差分方式提

2、供地输出信号是单端方式地两倍，并且输出功率是其四倍.半桥电路可由双极性电源或单极性电源供电，但单电源供电会对DC偏置电压产生潜在地危害，因为只有VDD/2电压施加到过扬声器，除非加一个隔直电容器.“激励”地半桥电路电源电压总线可以超过LC滤波器地大电感器电流产生地标称值.在VDD和VSS之间加大地去耦电容器可以限制激励 dV/dt地瞬态变化.全桥电路不受总线激励地影响，因为电感器电流从一个半桥流入，从另一个半桥流出，从而使本地电流环路对电源干扰极小 音频D类放大器设计因素虽然利用D类放大器地低功耗优点有力推动其音频应用，但是有一些重要问题需要设计工 程师考虑，包括：*输出晶体管尺寸选择;*输出

3、级保护；*音质；*调制方法；*抗电磁干扰（EMI）；*LC滤波器设计；*系统成本.输出晶体管尺寸选择选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗.当传导大地IDS时保证VDS很小，要求输出晶体管地导通电阻 （RON）很小（典型值为0.1W0.2W）.但这要求大晶体管具有 很大地栅极电容（CG）.开关电容栅极驱动电路地功耗为CV2f,其中C是电容，V是充电期间地电压变化，f是开关频率.如果电容或频率太高，这个“开关损耗”就会过大，所以存在实 际地上限.因此，晶体管尺寸地选择是传导期间将IDS X VDS损失降至最小与将开关损耗降至最小之间地一个折衷.在高输出功率情况下，功耗和效率主要由

4、传导损耗决定，而在低输 出功率情况下，功耗主要由开关损耗决定.功率晶体管制造商试图将其器件地RON X CG减至最小以减少开关应用中地总功耗，从而提供开关频率选择上地灵活性输出级保护输出级必须加以保护以免受许多潜在危险条件地危害：过热：尽管D类放大器输出级功耗低于线性放大器，但如果放大器长时间提供非常高地功率，仍会达到危害输出晶体管地水平 为了防止过热危险，需要温度监视控制电路.在简单地保护方案中，当通过一个片内传感器个人收集整理仅供参考学习2 / 16MHMHONOFFML OFFMLONML OFFH T测量地温度超过热关断安全阈值时，输出级关断，并且一直保持到冷却下来除了简单地有关温度是

5、否已经超过关断阈值地二进制指示以外，传感器还可提供其它地温度信息通过测量温度，控制电路可逐渐减小音量水平，减少功耗并且很好地将温度保持在限定值范围内， 而不是在热关断期间强制不发出声音输出晶体管过流：如果输出级和扬声器端正确连接，输出晶体管呈低导通电阻状态不会出现问题，但如果这些结点不注意与另一个结点或正、负电源短路，会产生巨大地电流 如果不经核查，这个电流会破坏晶体管或外围电路因此，需要电流检测输出晶体管保护电路 在简单保护方案中，如果输出电流超过安全阈值，输出级关 断在比较复杂地方案中，电流传感器输出反馈到放大器中，试图限制输出电流到一个最大 安全水平，同时允许放大器连续工作而无须关断在这

6、个方案中，如果限流保护无效，最后地手段是强制关断有效地限流器还可在由于扬声器共振出现暂时地大瞬态电流时保持放大 器安全工作欠压：大多数开关输出级电路只有当正电源电压足够高时才能正常工作如果电源电压太低，出现欠压情况，就会出现问题这个问题通常通过欠压封锁电路来处理，只有当电源电压大于欠压封锁阈值时才允许输出级工作VDDNONOVERLAP TIME图4输出级晶体管地先合后开开关输出晶体管导通时序：MH和ML输出级晶体管（见图4）具有非常低地导通电阻因此，避免 MH和ML同时导通地情况很重要， 因为它会产生一个从 VDD到VSS地低电阻路径通过晶 体管，从而产生很大地冲击电流最好地情况是晶体管发热

7、并且消耗功率；最坏地情况是晶体管可能被毁坏晶体管地先开后合控制通过在一个晶体管导通之前强制两个晶体管都断开 以防止冲击电流情况发生两个晶体管都断开地时间间隔称为非重叠时间或死区时间禾I用新地调制技术和滤波器结构降低D类放大器地EMI（上）D类放大器通常具有比AB类放大器更高地效率，适合低功耗应用然而，尽管D类放大器具有这一先天优势，但仍然不能弥补传统D类放大器所存在地缺点，即增加了成本，降低了音频性能，并且需要输岀滤波然而，近年来D类放大器技术地进步，降低了D类放大器成本，同时可以提供与AB类放大器相类似地音频性能此外，一些新型地 D类输出调制方案同时也降低许多应用中地EMI.VoUT个人收集

8、整理仅供参考学习3 / 16近年来D类放大器地技术迅猛发展，最常见地莫过于应用于每个通道低于50W地低功耗产品中.在这些低功耗应用中，D类放大器相比传统AB类放大器而言有效率上地先天优势，因为D类放大器地输岀级通常只处于导通或关断，没有中间偏压级.然而，长久以来，这一效率上地优势并未使其获得设计人员地广泛青睐，因为D类放大器也有明显地缺点：器件成本高、较差地音频性能(与AB类放大器相比)，并且需要输岀滤波.近年来，受以下两个主要因素地影响，这样地局面正逐渐扭转，使D类放大器在很多应用领域引起了人们地广泛关注.首先，是市场需要.D类放大器地某些优点推动了手机和LCD平板显示器这两个终端设备市场地

9、迅速发展.对于手机来说，扬声器和 PTT(Push-to-Talk，键通)模式需要D类放大器地高效率，以延长电池寿命丄CD平板显示器地发展对电子器件提出了低温运行(cool running)地需求，这是由于工作温度地升高将影响显示颜色对比度.而D类放大器地高效率意味着驱动电子设备时功耗更低，使LCD平板显示器工作时发热更少，图像显示效果更好.影响D类放大器应用地第二个因素便是自身技术地发展.根据市场需要，一些制造商改进了 D类放大技术，使D类放大器具有更理想价格地同时，也具备了与 AB类放大器相近地音频性能.此外，一些新型地 D类放大器输出调制方案还可以降低实际应用地EMI.某些新型D类放大设

10、计方案虽然是基于老式地 PWM型结构，但采用了更复杂地调制技术，实现低功耗系统中地无滤波工作.效率指标可以通过测试验证，但某些设计人员仍然怀疑基于这些新技术地产品将存在普遍地EMC/RFI兼容性问题实际上，良好地PCB布局和较短地扬声器连线可以保证大大降低 EMI幅射，使之满足 FCC或CE标准.应用难点有些应用中地物理布局需要长地扬声器连线，这样地扬声器连线便具有天线效应，必须严格控制RF幅射.实际上，扬声器连线越长，它作为天线产生幅射地频率就越低.同时，某些应用要求EMI幅射低于CE/FCC标准，以符合汽车电子规范，或者避免干扰其他低频电路.面对如此纷 繁各异地需求，这些应用往往成为一些难

11、点无法克服.最有代表性地应用难点便是平板电视.由于扬声器通常排列在设备地外侧边缘，往往不可避免地要使用长地扬声器连线.如果还存在模拟视频信号，则仅仅满足FCC或CE地RF幅射要求还不够(这些标准只针对30MHz以上地频率)；往往还需要抑制开关基频以避免干扰视频信号如果采用早期PWM放大器所用地传统LC滤波器，则需要对其进行分析，以保证他们能有效抑制新型放大器所产生地高频开关瞬态PWM型D类放大器传统D类放大器通常基于脉宽调制(PWM)原理设计.其输出可以配置为单端或全差分桥接负载(BTL).图1为PWM型D类放大器地典型BTL输岀波形快速地切换时间和接近轨至轨地摆幅使此类放大器具有非常高地效率

12、.然而，这些特性使放大器具有宽地输岀频谱，可能导致高频RF幅射和干扰.因此，采用此类方案通常需要使用输岀滤波器来抑制有害地RF幅射.个人收集整理仅供参考学习4 / 16Oulpul 1 (01).ruuuon.Output 2 (02)Ditttrentiil output (01-02|.nnxjLXJComiiion-niode Q叫M 101丰D即2仁 The mirror-image output waveforms of the tradltlnnril pulse-wldth-modula- tlon techniqu produce virtually no Gommoii-fn

13、aie voltage (lower trace).如图1所示，如果器件地反相和同相输出回路具有较高地匹配度，则两个对称输出信号波形在扬声器或连线上将具有很小地共模（CM）信号（底部地迹线）.注意：50%占空比代表零输入信号（空闲状态）.因此，可以设计一个差分低通滤波器，用于衰减信号波形中高频分量（快速切换所产生地），同时保留有用地低频分量以输岀到扬声器.新一代调制技术随着市场对D类放大器需求地不断增长，一些制造商最近推岀了可独立控制H桥地两个半桥地新一代调制方案.这一调制方案具有两个主要优占：八、音频信号较弱或空闲状态时，负载上几乎没有差分开关信号.较传统PWM设计改进了静态电流损耗.最小脉

14、冲，共模 （CM）开关信号有助于降低导通和关断瞬态 .BTL输出引脚地空闲状态直流电平（滤波后）接近于GND.因此，滤波元件地不匹配或杂散电容（可能导致放大器导通或关断时岀现音频杂音）可减到最小.显然，这一新技术虽具有一些优点，但放大器输出将不再对称图2所示地信号波形（以MAX9704立体声D类放大器为例）具有较高地共模分个人收集整理仅供参考学习5 / 16OutputOutput 1 1 01)01)OutputOutput I I (02)(02)n Dafeienlial - rndpuf 02|ILTLCfimmon-Cfimmon- modemode outprioutpri (OU

15、(OU 02).502).5OU12. With the MAX97Q4$ modulation scheme, the output waveforms are no Ion罷r mirror imnges of ench nther. This causes much higher conimon-mode voltages.此类D类放大器对输出滤波器地要求，不同于具有传统差分输入和互补PWM输出地放大器与PWM相比，MAX9704调制方案地输出往往含有较高地共模信号，设计输岀滤波器时需要考虑这点.正如后面地实例所示，传统差分滤波器拓扑结构地效果往往不太理想图3a给出了传统地PWM型D类输

16、出LC滤波器，及其理想值.为简单起见，可假设扬声器负载具有理想地8电阻，并且忽略电感地直流阻抗通过一些简单地 SPICE仿真便可得出问题所在图3b给出了图3a中滤波器对差分输入信号地频率响应给出了两个输出结点（FILT1，FILT2）相对于GND地响应曲线.图中给出地器件值在 30kHz地频率以上具有理想地二阶滚降，以及理想地瞬态.音频带内群延迟特性在 4?s内保持平坦.个人收集整理仅供参考学习6 / 1640S口 rib IIH -101A3. The mponse orf a traditional differentiaFmode passhre LC filter (a differs

17、 for differnlial input signals (b) and tommon-mMle 或缈k 际图3c给出了共模输入时同一滤波器地输出同样，两个输出地响应曲线均相对于GND.输出结果（Y轴偏移）具有很大地尖峰，并具有明显地欠阻尼.结合共模信号下滤波器地等效电路（图4），就很容易理解为什么会出现这一结果 .由于仿真时采用理想匹配地电感和电容器，因此阻性负载上差分信号为零，因此不会LC元件不会出现任何衰减 丄1与C1谐振（L2与C3同理）产生峰值.在时域内（图中未显示），这种情况将会出现较大 地过冲和振荡注意，输入共模信号时，C2将引入一个零点因此滤波器地截止频率（此时称作谐振频率

18、可能更加准确）将高于差分输入时地截止 频率.1MH1II UtllltK：UkK iiwi叭11川塾FnVfirr1011.1 KH1* h 71 HZmucihtIRlC个人收集整理仅供参考学习7 / 16ow：ri口 RITI和1 aw?这时你或许会问，这样会有问题么？如果该频率下输岀频谱共模能量为零，那么便没什么问题.然而，如果峰值频率与 D类放大器开关频率正好相等，则扬声器和连线上将出现较大地输出电压幅度同时，MAX9704地扩展频谱调制（SSM）模式将使欠阻尼滤波器在音频频带以上引入相当地噪声.扩展频谱模式是引脚可选地，此时高频开关能量为白噪声”，可以通过逐周期随机调整开关时间降低噪

19、声幅度.这种扩展频谱方案简化了无滤波应用中地 EMI兼容性设计.无滤波器双路D类功放MAX9713/9714原理与应用日期：2004-12-11来源：国外电子元器件作者：吴祖国字体：大中小摘要:MAX9713 /MAX9714是Maxim公司最新推出地无滤波器双路D类音频功率放大器文中介绍了 MAX9713 /MAX9714 地基本性能和主要特点，给出了 MAX9713 /MAX9714地引脚功能和主要性能参数，同时给出了该器件在音响设备上地应用电路.b5E2RGbCAP关键词：MAX9713 MAX9714 D类；音频；功率放大器1 概述dty2151A4!A-亘三_fttattinkfti

20、訓槪ikHii.ouflzIDMHZ舸Mi 阿伽眄ie*1t-zt-3a*1t-zt-3a-S-1-S-110Q伽Hi4 AJrlUntff Ail CJ 尸 Mft-丹刊 C 相拆h -A I ritRiis+ 匠* 石 IRE !w*-ft IW-I* i* A-111 fJIJr v fd T个人收集整理仅供参考学习8 / 16MAX9713/MAX9714无滤波器D类音频功率放大器是MAXIM公司生产地开关型功率放大器地改进产品，其中MAX9713是单声道功率放大器，MAX9714是立体声功率放大器，它们均具有AE类功率放大器地性能和D类功率放大器地效率，且不需要传统D类功率放大器地输

21、出滤波器，也不需要散热器，因而节省了电路板面积， 降低了设计成本.MAX9713/MAX971 4器件采用1 0V25V单电源电压供电，静态电流仅为18mA 在单路工作模式下， 该器件可向8 Q负载输出高达6W地功率， 且效率高达8 5%, THD + N低于0. 0 7%, SNR超过1 OOdE,同时还具有短路和过热保护功能因而可以广泛应用在台式计算机、笔记本电脑、汽车音响、LCD监视器、 投影仪和家用电视接收机等设备中2引脚功能和主要参数 p1EanqFDPw2.1引脚功能MAX9713/MAX971 4均采用 32 脚TQFN封装，MAX9713 地封装尺寸为5 mm X5mm,MAX

22、9 7 1 4地封装尺寸为7 mm X7mm，其引脚排列如图 1所示，各引脚地功能如下： DXDiTa9E3dPGND :电源地；VDD :电源端，电压范围为102 5V;C1N:充放电电容负极；个人收集整理仅供参考学习9 / 16F电容连接到VDD端；RTCrpC1P :充放电电容正极;图1 MAX9713/MAX97I4的引脚排列图CHOLD :充放电容控制电容接入端，设计时可用1UDGiTN.C.:空脚；去】0 言呂 HL5 蛊r-s Eo +E0 +UOPGNDPGNDPGSOPGSOVnnVnnV&nV&nCISCISC1PC1PCHOLDCHOLDMAX9713MAX9713PCN

23、DPCNDPGNPGND DPCNDPCNDPGNPGND DVDOVDOVJDVJDVDPC!NC!NFSIFSIFS1FS1CHOLCHOLD DX XMAX9714MAX9714S个人收集整理仅供参考学习10 / 16REG :内部调节器输出端，应使用0.47yF电容对地旁路；AGND :模拟信号地；IN+ :同相输入端；IN：反相输入端；SS:软启动端，使用时应在SS端到地GND端接0.47让地电容;SHDN :关机控制端，低电平有效；G1,G2 :分别为增益选择1和2端；个人收集整理仅供参考学习711 / 16FS1,FS2 :分别为频率选择1和2端;OUT-:音频信号反相输出端；O

24、UT + :音频信号同相输出端；INL-:左通道反相输入端；INL + :左通道同相输入端；INR-:右通道反相输入端；INR+ :右通道同相输入端；OUTR-:右通道音频信号反相输出端；OUTR + :右通道音频信号同相输出端；OUTL-:左通道音频信号反相输出端；OUTL + :左通道音频信号同相输出端2.2 主要性能参数个人收集整理仅供参考学习12 / 16A卩21212222 J23232424G G 4747 pFpF “ “啪VkEGVRE*叭時 VMEC 亠 VrecVrec 1212PCPC NDND1M+1M+VDI)18椽入控QL- 薊电路t-t-SS扳霭器I I眼+1NR

25、-1NR-制电路FS2FS2SHDNSHDNG2G2SSSS REGREG第益与开关机控制电路AGNDAGND MAX97I4MAX97I4H型桥式 输出屯路曝桥式|轮出电路PGNDPGND OUTL+OUTL+3232OCTL+OCTL+ 3131LOLTL-LOLTL-：0101 TL-TL- 2929.OUTR+.OUTR+ 26260l：TR +25f25fFOUTR-FOUTR- 28.28.0l0l；T T 卜2727” ” C1PC1P6 6输出控制电路CIIOLDLLC2 pHVniT图2 MAX97I4的结构原理框图MAX9713/MAX9714地主要性能参数10V-10V-

26、 25V25VlOOpFlOOpF3电路原理与外围电路设计MAX9 7 1 4地内部原理框图如图2所示，与MAX9713相比，MAX9714仅多了一个放大通道，其余部分完全相同下面以MAX9 7 1 4为例，简要分析其主要单元电路地工作原理.5PCzVD7HxA3.1信号输入电路MAX9713/ MAX971 4内部采用全差动输入结构，与多媒体数字解码器输 13135 5 pO,pO, I I p p F F个人收集整理仅供参考学习713 / 16出兼容，可直接相连.由于MAX9713/MAX971 4采用地是差动输入结构，因而 可有效放大两个输入端地差模信号，同时也可抑制输入信号中地共模噪声

27、.在有些应用场合,还可设置为单端输入方式，但此时输入信号、公共地到两个输入端之间地耦合电容不能省去jLBHrnAlLg输入电路中地电容CIN既是信号耦合电容，又可与MAX9713/MAX9714地输入阻抗构成高通滤波器，其电容值地大小直接影响高通滤波器下限截止频率地高低，为了使放大器具有较好地低频特性，CIN地电容值不能太小，一般取0.47yF较为合适.电容CIN宜选用钽电容或铝电解电容，耐压值较高地陶瓷电容虽然也可以使用，但是 容易引起低频失真，所以一般不宜使用.XHAQX74J0X3.2调制模式MAX9713/MAX9714地调制方案有固定频率模式FFM 和扩散频谱模式 SSM 两种在固定

28、频率模式FFM 下，可由FS1和FS2设定开关频率，其输出信号频谱由开关频率及其谐波成分组成，因此，即使开关频率在标称值地3 5%范围内变化，也不会影响电路对音频信号地再现.LDAYtRyKfE扩散频谱模式SSM 是Maxim公司独有地、具有专利技术地调制方案，可使输出信号频谱变得较为平坦，并能有效降低扬声器和连接电缆地EMI辐射满足FCC辐射标准在SSM模式(通过置FS1=FS2= H来完成设置)，开关频率将围绕中心 频率(3 3 5 kHz )在 1.7%kHz内变化虽然调制方式还是一样，但是三角波地周 期在循环变化输出信号频谱则随开关频率变化而变化，而对于能量谱，它们通常随着频率 地变化

29、分布在整个频带内，这样地频谱看起来就像白噪声，EMI辐射也相应降低.个人收集整理仅供参考学习14 / 16VDD-1 1|4 4 ? ?卜 F Fn Ct 4? yFIIit 0- 47MFVDD1 1粉INK-SSSIWSIWOUTL-OUTL-OUTL+OUTL+OUTR+OUTR+OLfTR-OLfTR-MAX9722B5BNVDDVDDOUTLOUTLINL+INL+OUTROUTRI NR*I I NR-NR-SVssC1PC1NMAX97I4图3 MAX9714的应用电路3.3 输出电路 Zzz6ZB2Ltk传统地D类音频功率放大器为了从放大后地PWM输出信号中还原音频信号，往往需

30、要一个输出滤波器，这样既增加了成本和放大器地尺寸，又降低了效率.MAX9 7 13/MAX9714不需要输出滤波器，而是利用扬声器内固有地线圈电感和扬声器来对发声频率范围内人耳所能听到地声音成份实现自然滤波，以达到体积更小、成本更低、效率更高地目地这是因为，MAX9713/MAX971 4地工作频率远远超过大多数扬声器地发 声频率范围由于扬声器音频线圈地振动受低频信号地影响较大，受高频信号地影响非常小，因此，只要采用线圈电感大于3 0地扬声器就能有效还原PWM输出中地音频信号典型地8 Q扬声器地线圈电感一般在3 0 诅到10 0 诅之间，所以无需输出滤波器，选用线 圈电感值大于6 0 诅地扬声

31、器可达到最佳地输出效果.dvzfvkwMIlnd. 47luFluFlOOkn个人收集整理仅供参考学习15 / 16当耳机插入耳机插孔后，场效场效应管处于导通状态，SS端为而此时MAX9722E则处于正虽然MAX9 7 13/MAX9 7 1 4不需要输出滤波器，但是在使用时必须注意：输出端与扬声器之间地连接电缆长度不得超过36cm如果遇到输出线路地长度超过36cm电路板设计不够合理而影响输出效果、电路附近有电磁辐射敏感设备等情况，就必须设计输出滤波器.rqyn14ZNXI3.4开关机噪声抑制电路MAX9713/MAX971 4内部具有开关机噪声抑制电路在关机过程中，放大器输出端地H型桥路通过

32、3 0 0 k Q电阻连接到GND端，输出端没有能听到地噪声信号输 出.在开机过程中，输入放大器内部偏置电压被设置为较低地值，输入放大器不工作，从而 可以达到静音、防止噪声输出地目地开机后，随着软启动电容器两端电压地逐渐增加，输入放大器内部偏置电压会逐步达到正常值，电路开始进入正常工作状态由于电容CSS值会影响开机静噪时间地长短，为了达到最佳地静噪性能，电容CSS地取值最小应该达到18 0nF . EmxvxOtOco4 应用电路图3是采用MAX9714与MAX9722E设计地多功能高效率立体声音箱放大 器该电路既可以用扬声器进行大功率立体声信号输出，也可以连接耳机以满足个人欣赏音 乐之需，而

33、且两种输出方式不同时工作，互不影响图中，CODEC为音频信号输入端,当耳机插孔没有插入耳机时，场效应管栅极和MAX 9 7 2 2 E地SHDN端均为低电平，MAX9714正常工作而MAX9722E处于停机状态应管栅极和MAX9722E地SHDN端均为高电平, 低电平，MAX9714处于非启动状态而无功率输出,常工作状态，电路将从耳机插孔输出经放大地音频信号.SixE2yXPq5版权申明个人收集整理仅供参考学习16 / 16本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理版权为个人所有This article in eludes someparts, in cludi ng text, pictures,and desig n. Copyright is pers onal own ership.6ewMyirQFL