D類功率放大器

AnalogandMix-SignalIntegratedCircuitDesign

--Class-D功率放大器設(shè)計(jì)

西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院劉簾曦有關(guān)聲音的基礎(chǔ)知識

聲音的特性音量：它與聲波的物理量“振幅”有關(guān)，聲波的振幅大，人耳就感覺聲音響，音量大；反之，則聲音輕，音量小，音量的大小是人耳聽音的主觀感覺。音調(diào)：是人耳對聲音調(diào)子高低的主觀感覺，聲調(diào)的高低與聲音的物理量“頻率”對應(yīng)。人耳的聽覺范圍：20Hz到20KHz稱之為可聽聲音，低于20Hz稱為次聲，高于20KHZ的稱為超聲，一般來說，人耳對3K左右的聲音最敏感。音色：又叫音品和音質(zhì)，它主要是由聲音的波形決定的。

常見功率放大器的分類

按照輸出級的電路結(jié)構(gòu)，功率放大器可分為以下幾類：A類功率放大器，也稱甲類放大器。B類功率放大器，也稱乙類放大器。AB類功率放大器，也稱甲乙類放大器。D類功率放大器。

以上四種是最常用的功率放大器，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在又出現(xiàn)了很多其他名稱的功率放大器，雖然名稱不同，但是其基本的放大原理都是基于以上幾種放大器的原理。Class-A功放的輸出級

A類放大器輸出級如圖所示，其最大的優(yōu)點(diǎn)是線性度很好，失真很小。但是缺點(diǎn)也很明顯，它具有最大的靜態(tài)工作電流，也就是它在沒有輸入信號的時(shí)候也會損耗電流。

Class-B功放的輸出級

B類功放的電路拓?fù)淙鐖D所示，兩個(gè)管子不同時(shí)工作于線性區(qū)。靜態(tài)點(diǎn)為Q點(diǎn)，處于截止點(diǎn)上，因此信號輸入時(shí)，只有半周導(dǎo)通，B類功放的效率要高于A類，但是這是以更大的失真為代價(jià)的。Class-AB功放的輸出級下圖是AB類功放的原理圖。AB類放大器在輸出低于某一電平時(shí)，兩個(gè)輸出器件皆導(dǎo)通，其狀態(tài)工作于A類；當(dāng)電平增高時(shí)，其中的一個(gè)器件將完全截止，而另一個(gè)器件將供給更多的電流。

線性放大器的應(yīng)用瓶頸電子設(shè)備對音頻功放的需求：

1、體積減小的趨勢；

2、輸出功率增加的趨勢；

3、良好的頻率響應(yīng)，低失真。線性放大器的不足：

1、效率太低；

2、發(fā)熱量大。Class-D類功放的基礎(chǔ)Class-D類功放的原理與前面三種放大器的原理有本質(zhì)的區(qū)別。它是一種開關(guān)模式的功率放大器。Class-D類功放的基礎(chǔ)是電壓比較和PWM調(diào)制技術(shù)。因此也被稱為數(shù)字音頻功率放大器。

Class-D類功放的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸出級的MOSFET用作開關(guān)，只有兩個(gè)狀態(tài)：開or關(guān)。音頻模擬信號的信息被轉(zhuǎn)換成輸出MOSFET的開關(guān)狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)化是通過PWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的（脈沖寬度）。為了避免波形的失真，采樣頻率應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于音頻。脈寬調(diào)制型技術(shù)原理脈寬調(diào)制技術(shù)也就是把模擬音頻信號的幅度來調(diào)制一系列矩形脈沖的寬度。這樣，一個(gè)模擬音頻信號就變成了一系列寬度受到調(diào)制的等幅脈沖信號。要把信號放大，只要對這系列的脈沖信號放大就可以了。原來的模擬信號并不是包含在這個(gè)脈沖信號的幅度之中，而是包含在它的寬度之中。對脈沖幅度的放大，也可以進(jìn)一步提高輸出信號的功率。D類功放工作原理脈寬調(diào)制（PWM）的開關(guān)功放：首先將音頻信號通過前置放大器進(jìn)行預(yù)放大，放大后的音頻信號進(jìn)而與內(nèi)部三角波相比較進(jìn)行采樣，從而將音頻信號的幅度信息轉(zhuǎn)化成PWM信號脈沖寬度，然后將變換得到的PWM波經(jīng)過整形、延時(shí)后驅(qū)動功率MOSFET，輸出的電流信號，再通過LC低通濾波器被還原成放大的音頻信號。功率MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，沒有電源到地的直流通路，且MOSFET導(dǎo)通電阻很小，因此，D類功放具有很高的轉(zhuǎn)換效率。Class-D類功放的輸出級

Class-D類功放的輸出級分為半橋輸出結(jié)構(gòu)和全橋（H橋）輸出結(jié)構(gòu)兩種。開關(guān)輸出級的非理想因素死區(qū)時(shí)間輸出級晶體管具有非常低的導(dǎo)通電阻。因此，避免MH和ML同時(shí)導(dǎo)通的情況很重要，因?yàn)樗鼤a(chǎn)生一個(gè)從VDD到VSS的低電阻路徑通過晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。兩個(gè)晶體管都斷開的時(shí)間間隔稱為非重疊時(shí)間或死區(qū)時(shí)間。

死區(qū)時(shí)間對D類功放性能的影響總諧波失真THD用來表征轉(zhuǎn)換后的正弦信號的線性度。它的大小體現(xiàn)了電路的線性度?？傊C波失真被定義為：設(shè)計(jì)實(shí)例一種高效無濾波D類音頻功放芯片1.輸入電壓范圍:4.0V~7.0V；2.雙聲道立體聲；3.低電流耗散，工作時(shí)最大為6mA，待機(jī)時(shí)最大1μA；4.調(diào)制頻率380KHz；5.具有待機(jī)功能；6.全橋輸出級結(jié)構(gòu)；7.輸出最大功率3.0W；8.THD+N<1%@Vdd=5V,Pout=2.5W；9.可無濾波應(yīng)用（感性負(fù)載）。電路原理圖（一個(gè)通道）前置放大器電路原理圖三角波電路要求三角波要求：1、兩個(gè)斜邊要有良好的線性度；2、根據(jù)Nyquist采樣定律，頻率至少為信號頻率2倍以上，頻率越高，失真越小，但是開關(guān)損耗變大，因此一般選信號頻率的10-20倍；3、三角波幅度要大于信號幅度，否則會出現(xiàn)全調(diào)制，從而引起失真。三角波電路原理圖三角波電路仿真結(jié)果PWM比較器PWM仿真波形整體仿真整體仿真結(jié)果Ta=25℃Finput=1kHz，Vp-p=200mVSine，RL=3ΩParameterSymbolTestConditionsResultUnitMaxGainAV(L/R)VDD=5V26dBQuiescentcurrentIDDVDD=5V,noload6.4mAShutdowncurrentIDDQVDD=5V,noload,shutdown120μADeadzonetimeTDInputsshort