D類(lèi)音頻功率放大器的研究與實(shí)現
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1 引 言
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/167075.htm音頻放大器已經(jīng)快有一個(gè)世紀的歷史了，最近幾年，電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展。音質(zhì)好、電源效率高、發(fā)熱少的D類(lèi)放大器成為市場(chǎng)的需求。并且由于D類(lèi)放大器的耗電低、發(fā)熱少等諸多特點(diǎn)，越來(lái)越得到日益強調環(huán)保的市場(chǎng)的認同。同時(shí)，便攜電子設備的工作時(shí)間一直是廠(chǎng)商全力追求的最重要的性能指標，新的無(wú)濾波器D類(lèi)放大器在幾瓦特的功率級別上正在取代原先固定的AB類(lèi)器件。與體積龐大的傳統線(xiàn)性放大器相比，使用D類(lèi)放大器并不影響音頻信號的音質(zhì)卻能夠實(shí)現便攜產(chǎn)品的小型化，因此市場(chǎng)對電子產(chǎn)品薄型化、便攜式的需求趨勢造就了傳統放大器向數字放大器的轉化。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，歷史上出現過(guò)三代D類(lèi)放大器設計：
第一代的范例是由托卡塔設計的TacTMillennium，證實(shí)了D類(lèi)放大器的概念，但是該技術(shù)還不能提供足夠的性能，這使第一代D類(lèi)放大器向著(zhù)實(shí)用性的方向發(fā)展。
第二代D類(lèi)放大器把一個(gè)用于模擬源信號的PWM信號和一個(gè)集成的輸出級以及片外濾波器組合在一起。這些放大器需要源選擇，音量，平衡和音調控制等復雜的前端功能，而這些附加的功能增加了額外的復雜性。但是首先這代放大器變得價(jià)格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超過(guò)了AB類(lèi)放大器，從而獲得了一定的應用。
第三代是最近一段時(shí)間，現有的D類(lèi)數字放大器較以前的技術(shù)已有所改善，他們在音質(zhì)、封裝、性能、價(jià)格和核心技術(shù)方面都已取得重大改進(jìn)。為了生成精確的音頻，輸入晶體管需要在動(dòng)態(tài)范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助精確地實(shí)現準確的功率分配。通過(guò)采用一個(gè)簡(jiǎn)單但功能強大的內部控制邏輯系統改善音頻輸出，并額外增加一套輸入晶體管，這些晶體管可以實(shí)現對音頻信號輸入的更精細的控制。最后還不能忽視新的架構技術(shù)。
2 D類(lèi)放大器的基本結構
D類(lèi)放大器的電路共分為三級：輸入開(kāi)關(guān)級、功率放大級及輸出濾波級。
D類(lèi)放大器工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下可以采用脈寬調制(PWM)模式。利用PWM能將音頻輸入信號轉換為高頻開(kāi)關(guān)信號。通過(guò)一個(gè)比較器將音頻信號與高頻三角波進(jìn)行比較，當反相端電壓高于同相端電壓時(shí)，輸出為低電平；當反相端電壓低于同相端電壓時(shí)，輸出為高電平。
在D類(lèi)放大器中，比較器的輸出與功率放大電路相連，功放電路采用金屬氧化物場(chǎng)效應管(MOSFET)替代雙極型晶體管(BJT)，這是因為：
(1)功率MOSFET是一種高輸入阻抗、電壓控制型器件，BJT則是一種低阻抗、電流控制型器件。
(2)從二者的驅動(dòng)電路來(lái)看，功率MOSFET的驅動(dòng)電路相對簡(jiǎn)單，BJT可能需要多達20％的額定集電極電流以保證飽和度，而MOSFET需要的驅動(dòng)電流則小得多，而且通?？梢灾苯佑蒀MOS或者集電極開(kāi)路TTL驅動(dòng)電路驅動(dòng)。
(3)MOSFET的開(kāi)關(guān)速度比較迅速，他是一種多數載流子器件，沒(méi)有電荷存儲效應，能夠以較高速度工作。
(4)MOSFET沒(méi)有二次擊穿失效機理，他在溫度越高時(shí)往往耐力越強，發(fā)生熱擊穿的可能性越低。他還可以在較寬的溫度范圍內提供較好的性能。
(5)MOSFET具有并行工作能力，具有正的電阻溫度系數。溫度較高的器件往往把電流導向其他MOSFET，允許并行電路配置。而且，MOSFET的漏極和源極之間形成的寄生二極管可以充當箝位二極管，在電感性負載開(kāi)關(guān)中特別有用。
場(chǎng)效應管有兩種工作模式，即開(kāi)關(guān)模式或線(xiàn)性模式。所謂開(kāi)關(guān)模式，就是器件充當一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，在開(kāi)與關(guān)兩個(gè)狀態(tài)之間切換。線(xiàn)性工作模式是指器件工作在某個(gè)特性曲線(xiàn)中的線(xiàn)性部分，但也未必如此。此處的線(xiàn)性是指MOSFET保持連續性的工作狀態(tài)，此時(shí)漏電流是所施加在柵極和源極之間電壓的函數。他的線(xiàn)性工作模式與開(kāi)關(guān)工作模式之間的區別是，在開(kāi)關(guān)電路中，MOSFET的漏電流是由外部元件確定的，而在線(xiàn)性電路設計中卻并非如此。D類(lèi)放大器需要兩只MOSFET，他們在非常短的時(shí)間內可完全工作在導通或截止狀態(tài)下。當一只MOSFET完全導通時(shí)，其管壓降很低；而當MOSFET完全截止時(shí)，通過(guò)管子的電流為零。兩只MOSFET交替工作在導通和截止狀態(tài)的開(kāi)關(guān)速度非?？?，因而效率極高，產(chǎn)生的熱量很低，所以D類(lèi)放大器不需要散熱器。
3脈寬調制(PWM)
采樣控制理論中有一個(gè)重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結論為理論基礎，對半導體開(kāi)關(guān)器件的導通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規則對各脈沖的寬度進(jìn)行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 D類(lèi)數字音頻功率放大器與上述各類(lèi)模擬功放的最大區別是不以線(xiàn)性放大音頻信號為基礎，而是以放大數字信號為原理的一種數字信號放大技術(shù)。D類(lèi)數字功放首先把模擬音頻信號變換為脈沖寬度調制(PWM)信號，如圖1所示。
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在PWM轉換中，以44.1 kHz或48 kHz的取樣頻率和8 b或16 b的量化率(即模擬信號振幅值的讀出刻度)進(jìn)行A／D(模擬／數字)變換，然后再把PWM數字信號進(jìn)行高效率放大(D類(lèi)放大)。由于音頻信號的信息全部包含在脈沖的寬度變化中，與脈沖的幅度變化無(wú)關(guān)，因此，只要采用截止頻率為30～40 kHz的低通慮波器就可把模擬音頻信號解調出來(lái)。圖2是D類(lèi)數字功放的原理圖，為每個(gè)數字聲源直接輸出的PCM信號輸入，機內還設置有一個(gè)PCM／PWM兩種脈沖編碼的轉換裝置。
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