音頻D類放大器的研究與設(shè)計畢業(yè)論文

1、音頻D類放大器的設(shè)計與實現(xiàn)摘要為了解決傳統(tǒng)的音頻功放線性放大器的一些不足，如體積較大，效率低下等，D類功率放大器應(yīng)運而生并得到較快發(fā)展。D類功放具有非常高的轉(zhuǎn)換效率，加之體積較小，易集成化等優(yōu)點，已成為便捷式音頻市場的新寵兒。然而，D類放大器其自身并不完美，比如音質(zhì)要求高，體積小，電池壽命短，低成本要求等，要使得其市場認可度進一步提高，這些問題必須考慮。本課題就是針對傳統(tǒng)放大器的缺陷，通過比較對比引出了未來應(yīng)用前景光明的D類音頻放大器，通過對D類放大器的原理介紹與單元模塊的設(shè)計，加深了讀者對音頻D類放大的認識，也在此過程之中讓大家了解了D類放大器的問題所在，本文對改進的問題提出了一些建設(shè)性的建

2、議，希望這種設(shè)計帶給讀者一定關(guān)于D類放大器應(yīng)用方面的啟發(fā)。關(guān)鍵詞：音頻D類功率放大器；PWM脈寬調(diào)制；BTL橋接負載；EMI電磁干擾Class D Audio AmplifierAbstractClass D amplifiers improve upon the traditional amplifier design by amplifying a digital signal instead of an analog signal for drastically superior efficiency. These amplifiers, because of their efficie

3、ncy specifications, are often used in portable applications where small size and low power consumption are important for portability and battery use. This paper introduced D class amplifier, summarized the problems of D class amplifier and proposed some constructive ideas to its improvement, hoping

4、to bring some inspirations about the specific application of D class amplifier to the readers.Key words： Class D Audio Amplifier；PWM（ Pulse Width Modulation）； BTL（Bridge-Tied-load）； EMI（Electro-Magnetic Interference）目錄第一章引言11.1課題的背景11.2課題的目的和意義2第二章射頻功率放大器介紹22.1A類放大器（Class A Amplifier）32.2B類放大器(Class

5、 B Amplifier)32.3AB類放大器42.4D類放大器(Class D Amplifier)4第三章D類放大器的近期發(fā)展趨勢53.1D類放大器的歷史53.2音頻D類放大器的發(fā)展要求5降低系統(tǒng)成本5降低電磁干擾5改善音頻質(zhì)量5第四章本文的主要工作64.1D類放大器的基本結(jié)構(gòu)64.2PWM（脈寬調(diào)制）原理74.3三角波發(fā)生電路74.4比較器84.5驅(qū)動方式：94.6BTL橋接負載94.7低通濾波器114.8以TPA3122芯片為核心的D類功放電路實現(xiàn)11第五章音頻D類放大器設(shè)計需要注意的問題155.1輸出晶體管尺寸選擇155.2輸出級保護165.3信噪比（SNR）165.4失真原因165

6、.5電源抑制165.6LC濾波器的選擇165.7實驗中遇到的問題17第六章總結(jié)176.1工作的總結(jié)、回顧176.2展望17參考文獻19致謝201引言1.1 課題的背景幾十年來在音頻領(lǐng)域中，A類、B類、AB類音頻功率放大器一直占據(jù)“統(tǒng)治”地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個過程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過程；電路組成從單管到推挽過程；電路形成從變壓器輸出到OTL、OCL、BTL形式過程。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點是效率太低。全球音視頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快開發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器，它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字化設(shè)備

7、相連接的特點。D類音頻功率放大器是PWM型功率放大器，它符合上述要求。近幾年來，國際上加緊了對D類音頻功率放大器的研究與開發(fā)，并取得了一定的進展，幾家著名的研究機構(gòu)及公司已經(jīng)試驗性地向市場提供了D類音頻功率放大器評估模塊及技術(shù)。這一技術(shù)一經(jīng)問世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點，引起了科研、教學、電子工業(yè)、商業(yè)界的特別關(guān)注，現(xiàn)在這一前沿的技術(shù)正迅猛發(fā)展，前景一片光明。在音響領(lǐng)域里人們一直堅守著A類功放的陣地。認為A類功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。但是，A類功放的低效率和高損耗卻是它無法克服的先天頑疾。B類功放雖然效率提高很多，但實際效率僅為50%左右，在小型便攜式音響設(shè)備如汽車

8、功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大功率功放場合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，效率極高的D類功放，因其符合綠色革命的潮流正受著各方面的重視。由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，原來用分立元件制作的很復雜的調(diào)制電路，現(xiàn)在無論在技術(shù)上還是在價格上均已不成問題。而且近年來數(shù)字音響技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)D類功放與數(shù)字音響有很多相通之處，進一步顯示出D類功放的發(fā)展優(yōu)勢。提到功放的設(shè)計人們立即會想到要解決兩個問題一是保真度二是效率模擬功放利用晶體管的線性關(guān)系保真度較高因此在目前的音響系統(tǒng)里模擬功放仍占有主導地位模擬功放的不足是效率低能量消耗大散熱要求高一般地A 類功放的效率在50%以下即使是改進的B類或AB類其效率也

9、在75%以下而D類功放效率高體積小重量輕輸出功率大的數(shù)字音頻功放在20 世紀90年代末逐漸被行家們所重視近幾年發(fā)展迅速各種專用的集成芯片通用音響產(chǎn)品不斷推陳出新不夠理想的音質(zhì)得到極大改善且數(shù)字音頻功放的應(yīng)用有利于實現(xiàn)音響系統(tǒng)的全數(shù)字化。D類功放是放大元件處于開關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無信號輸入時放大器處于截止狀態(tài)，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進入飽和狀態(tài)，晶體管相當于一個接通的開關(guān)，把電源與負載直接接通。理想晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場合。在理想情況下，D類

10、功放的效率為100%，B類功放的效率為78.5%，A類功放的效率才50%或25%（按負載方式而定）。 D類功放實際上只具有開關(guān)功能，早期僅用于繼電器和電機等執(zhí)行元件的開關(guān)控制電路中。然而，開關(guān)功能（也就是產(chǎn)生數(shù)字信號的功能）隨著數(shù)字音頻技術(shù)研究的不斷深入，用于音頻放大的道路卻日益暢通。20世紀60年代，設(shè)計人員開始研究D類功放用于音頻的放大技術(shù)，70年代Bose公司就開始生產(chǎn)D類汽車功放。一方面汽車用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無法放入有大散熱板結(jié)構(gòu)的功放，兩者都希望有D類這樣高效的放大器來放大音頻信號。其中關(guān)鍵的一步就是對音頻信號的調(diào)制。 現(xiàn)今，各種便攜式的電子產(chǎn)品成為電子設(shè)備的

11、一種重要的發(fā)展趨勢。手機、MP3、MP4以及數(shù)碼相機、便攜式DVD等。他們雖然在功能及應(yīng)用場合上有所差異，但至少有兩個共同點：第一，他們都具備音頻輸出，即使是數(shù)碼相機，現(xiàn)在也普遍支持音頻回放，這樣就需要有一個合適的音頻放大器；第二，便攜式設(shè)備很多情況下是靠電池供電，這就要求一個消耗盡可能低的硬件系統(tǒng)。而對于音頻放大器來說，就需要其能夠在保持最低的失真情況下得到更高的效率。這就導致了D類音頻功率放大器在便攜式設(shè)備中的廣泛應(yīng)用。這些放大器可使設(shè)計人員節(jié)省電池電量，因為D類放大器比傳統(tǒng)AB類(或線性)放大器具有更高的效率。D類放大器在理論上可以達到100%，由此帶來的附加好處是對散熱的要求大大降低，

12、有利于高功率密度的集成，不過D類功放有些“生不逢時”，由于它需要高速功率開關(guān)器件，開關(guān)放大方式不可避免的會有EMI問題，還有一個原因是經(jīng)典的信號調(diào)制方式，依賴頻率和時基精度都足夠高的基準比較信號，前者使D類放大器的高頻表現(xiàn)明顯低于低頻，后者高精度時基的成本成幾何級數(shù)增長。 課題的目的意義通過本次畢業(yè)設(shè)計，達到使自己了解電子產(chǎn)品設(shè)計的基本方法，掌握產(chǎn)品設(shè)計的基本步驟，利用大學期間所學的有關(guān)專業(yè)知識完成設(shè)計任務(wù)，加強理論與實際的結(jié)合，強化自己綜合運用知識的能力，明確學習的目的：學習是為了更好的應(yīng)用。我對D類功率放大器的有關(guān)專業(yè)知識多停留在理論上，并且不能貫通理解，形不成系統(tǒng)。在我離開學校前，使我對

13、所學專業(yè)的基礎(chǔ)知識應(yīng)有一個全面而貫通理解，并且具備較強的設(shè)計動手能力。本課題正是基于以上思想所提出的，給我們提供了深入研究的空間，達到應(yīng)用所學專業(yè)基礎(chǔ)知識解決實際問題的能力。2射頻功率放大器介紹功率放大器，簡稱“功放”。在很多情況下主設(shè)備的輸出功率難以負荷整個音響系統(tǒng)，這時需要在主設(shè)備和播放器之間增加功率放大器來補充所需的功率差額，而功放器在整個音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的關(guān)鍵作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。目前功放有如下幾個類型：2.1A類放大器（Class A Amplifier）A類放大器（也叫甲類放大器）的主要特點是：放大器的靜態(tài)工作點設(shè)定在負載線的中點附近

14、,晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)都導通，期間有很大的DC偏置電流流過（這是造成效率低下的主要原因）。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小，A類放大器的優(yōu)點是可以提供優(yōu)良的音質(zhì)，電路簡單，調(diào)試方便；但效率較低，（理論最大值僅有25） ，晶體管功耗大，且有較大的非線性失真。所以如今已經(jīng)被淘汰掉。圖2-1 A類放大器2.2B類放大器(Class B Amplifier) B類放大器（也叫乙類放大器）需要兩只晶體管，理論上兩只晶體管不會在同一時間內(nèi)導通。因為每只晶體管只工作半個周期，一只晶體管工作于輸入信號的正半周，另一只晶體管工作于輸入信號的負半周。在沒有輸入的情況下，所有

15、晶體管都處于截止狀態(tài)，因而此時無輸出功率，其效率高于A類放大器，一般為50%。但由于晶體管需要一定的開通時間，因此兩只晶體管在交替過程中在輸出端存在一個短暫的無輸出功率狀態(tài)。這個無功率區(qū)域稱為交越區(qū)(crossover region)，這就造成了較大的信號失真（圖2.3中），因此B類放大器也逐漸被設(shè)計者們所摒棄。 圖2.2 B類放大器圖2.32.3AB類放大器有鑒于A、B兩類放大器的優(yōu)缺點，設(shè)計者們提出了改良方案：AB類放大器（圖2.3左）是A類放大器和B類放大器的組合折衷，它也使用DC偏置電流，但它遠小于單純的A類放大器。小的DC偏置電流足以防止交越失真（圖2.3右），從而能提供良好的音質(zhì)。

16、其功耗通常接近但小于B類放大器。但是，實際上即使是精心設(shè)計AB類放大器也有很大的功耗，因為其中等范圍的輸出電壓通常遠離正電源或負電源。由于漏源極之間的電壓降很大，所以會產(chǎn)生很大的瞬時功耗。所以AB類放大器的效率約為50%。2.4D類放大器(Class D Amplifier)D類(數(shù)字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)的脈沖信號,然后用PWM脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。放大器由輸入信號處理電路、開關(guān)信號形成電路、大功率開關(guān)電路(半橋式和全橋式) 和低通濾波器(LC)等四部分組成.它利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電

17、路來放大音頻信號。我們可以通過表2.1再進行一下簡單的比較：表 2.1A類放大器失真最小，靜點工作電流最大，效率最低B類放大器失真較大，靜點工作電流最小，效率較高AB類放大器失真中等，靜點工作電流中等，效率中等D類放大器失真很低，工作原理跟以上完全不同，效率很高顯而易見，D類放大器的優(yōu)點十分突出。3D類放大器的近期發(fā)展趨勢其實，D類放大器最初是有很多不足之處的，當初誕生時，根本沒有辦法跟線性放大器相比，可是經(jīng)過設(shè)計者們的不斷努力優(yōu)化、不斷的改進之后，D類放大器的春天才算真的到來了。3.1D類放大器的歷史D類放大器首次提出于1958年，在過去的幾代產(chǎn)品中，已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，被極大地改善了其系

18、統(tǒng)的耐用性，并提高了音頻質(zhì)量，與傳統(tǒng)的AB類功放相比，D類放大器擁有幾個顯著優(yōu)點：1. 具有很高的效率，通常能夠達到85%以上。2. 體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。3. 低失真，外圍元器件少，便于設(shè)計調(diào)試。因此D類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式，所以本文主要討論的也是音頻D類放大器。3.2音頻D類放大器的發(fā)展要求D類放大器的效率很高，20瓦以下基本不用散熱器，降低了對電源輸出功率的要求。所以它在音頻放大器家族中很有潛力。然而，與傳統(tǒng)的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和電磁干擾（Electromagnetic Interference）方面的問題。音頻D

19、類放大器的發(fā)展趨勢就是要解決這些問題，主要包括：3.2.1降低系統(tǒng)成本為了將D類放大器的成本降到最低，一般在功率放大級采用半橋放大拓撲結(jié)構(gòu)，以達到降低復雜性和減少物料成本的目的。因為半橋結(jié)構(gòu)輸出大約是全橋的一半，功率管和外部濾波器件的數(shù)量也就減少一半。然而，半橋放大器在輸出端也需要一個隔直電容，而且它對供電干線上的噪聲也很敏感。在啟動時，隔直流電容必須先被充電到偏置點（高壓供電干線電壓的一半），否則就會在揚聲器中產(chǎn)生很大的“噗”聲（開機沖擊聲）。因此最新的D類放大器采用預(yù)充電電容使揚聲器在啟動時保持無聲。3.2.2降低電磁干擾在D類調(diào)制器中，通過將音頻信號與高頻固定頻率信號進行比較，將比較的結(jié)

20、果在固定頻率的載波上進行調(diào)制，將數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換成PWM信號。形成的信號頻率是可變脈寬的固定載波頻率（通常在幾百kHz），然后由高壓功率MOSFET對這些PWM信號進行放大，放大后的PWM信號再通過低通濾波器去掉載頻，恢復出原始基帶音頻信號。但是這種結(jié)構(gòu)會導致大量的電磁輻射。由于調(diào)制器采用固定頻率載波，因此將產(chǎn)生基載波的多次諧波輻射。而且，由于PWM信號自身的開關(guān)特性，過沖/下沖和振鈴將產(chǎn)生固定比率的高頻（10-100兆赫茲）輻射。為了降低輻射， PWM調(diào)制器的發(fā)展趨勢是采用擴展頻譜調(diào)制技術(shù)。擴展頻譜的原理是：數(shù)據(jù)基帶信號的頻譜被擴展至幾倍幾十倍再被搬移至射頻發(fā)射出去。這一做法雖然犧牲了頻帶帶

21、寬，卻提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性。由于單位頻帶內(nèi)的功率降低，因此對其它電子設(shè)備的干擾也減小了。3.2.3改善音頻質(zhì)量作為音頻功放來說，提高音頻質(zhì)量是永遠的課題，所以要想穩(wěn)定占有市場，D類放大器就必須不斷改進其音頻性能。目前，D類放大器的一個噪聲源是音頻采樣時鐘的抖動。而時鐘通常是由SOC（MPEG解碼器和DSP等）產(chǎn)生的，即使很小的抖動也能迅速地影響到常規(guī)D類放大器的性能，因為音頻時鐘是與調(diào)制器的輸出時鐘關(guān)聯(lián)的。解決這個問題的一個方法是采用SRC（Sample Rate Convertor采樣率轉(zhuǎn)換器）技術(shù)。因為SRC使用本地穩(wěn)定的時鐘源來同步數(shù)字音頻的時鐘，比方說石英晶體振蕩器，所以

22、調(diào)制器的輸出抖動實際上與其他音頻時鐘是獨立的、不相關(guān)的。SRC的另一個優(yōu)點是無論輸入音頻的采樣率如何波動，其輸出開關(guān)比率都是固定的。當音頻輸入源改變或輸入時鐘缺失時，SRC也通過消除可聽見的噪聲而改善了系統(tǒng)的耐用性。4音頻D類放大器的設(shè)計與實現(xiàn)4.1D類放大器的基本結(jié)構(gòu)D類放大器將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)的脈沖信號,然后用PWM脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通/斷.放大器由輸入信號處理電路、開關(guān)信號形成電路、大功率開關(guān)電路(半橋式和全橋式) 和低通濾波器(LC)等四部分組成。圖4.1給出了D類放大器的原理簡圖。圖4.1 D類放大器原理簡圖4.2PWM（脈寬調(diào)制

23、）原理圖4.2 脈寬調(diào)制示意圖脈寬調(diào)制器由三角波發(fā)生電路和比較器兩部分組成，其工作過程可由上圖表示：即通過比較器實現(xiàn)三角波對正弦波的脈寬調(diào)制，獲得脈寬與輸入信號幅度成正比的調(diào)制信號。圖4.2是PWM調(diào)制的示意圖4.3三角波發(fā)生電路圖4.3 三角波發(fā)生電路（中）以及PWM調(diào)制電路（右）要實現(xiàn)脈寬調(diào)制需要三角波發(fā)生電路，本設(shè)計采用NE5532和高速精密電壓比較器LM311。NE5532的較寬頻帶和高速轉(zhuǎn)換速率（擺率），能夠保證產(chǎn)生線性良好的三角波。選定載波頻率要考慮抽樣定理，同時還要考慮電路實現(xiàn)，本設(shè)計選擇150kHz的載波，使用四階Butterworth LC 濾波器，輸出端對載頻的衰減大于60

24、dB。 計算電路參數(shù)：把NE5532的5腳和LM311的3腳電位通過Rt1和Rt2的分壓設(shè)為2.5V，同時設(shè)輸出對稱三角波幅度1.5V。選定Rt5為68k，并忽略比較器高電平時在Rt6上的壓降，求解Rt4：得取Rt4=43 k。工作頻率的確定：要從兩方面著手：第一，作為載波的三角波工作頻率越高越有利于提高調(diào)制信號中的基波分量，而調(diào)制信號中基波分量的多少直接影響著功放效率；第二，器件電平轉(zhuǎn)換有時延，很高頻率的三角波也是難做到的。綜合考慮以上兩點，我們選定工作頻率f=150kHz,并設(shè)定RWt+Rt3=15 k,則電容C3計算過程如下：對電容的恒流充電或放電電流為則電容兩端電壓值為其中： T1=T

25、/2=1/2f。的最大值為3V，代入可得 取Rt3=6.8 k,CF=220pF， RWt選用200 k可調(diào)變阻器。便于調(diào)節(jié)發(fā)生三角波的頻率為150kHz。4.4比較器選用精密、高速比較器LM311（圖4.4），在單電源供電的情況下，由阻值相同的電阻Rp1和Rp2,Rp3和Rp4分壓提供2.5V的靜態(tài)電位，取Rp1=Rp2=68k，Rp3=Rp4=68k。由于三角波幅度為1.5V，要使功放不產(chǎn)生失真，音頻信號的幅度也不能大于1.5V，。圖4.4 PWM調(diào)制電路4.5驅(qū)動方式：利用74HC14（反向器集成芯片）即可實現(xiàn)PWM信號的反向，互補的兩路信號分別驅(qū)動兩個推挽結(jié)構(gòu)，輸出兩路驅(qū)動信號分別是P

26、W1和PW2，送往開關(guān)功率管進行開關(guān)控制。將反向器并聯(lián)使用可以提供較大驅(qū)動電流。圖4.5 驅(qū)動電路4.6BTL橋接負載D 類放大器有很多會使用全橋輸出級。一個全橋使用兩個半橋輸出級，并以差分方式驅(qū)動負載。這種負載連接方式通常稱為橋接負載(Bridge-Tied-load)。全橋結(jié)構(gòu)是通過轉(zhuǎn)換負載的導通路徑來工作的。因此負載電流可以雙向流動，無需負電源或隔直電容。圖 4.6 展示了傳統(tǒng)的、基于PWM的BTL型D類放大器輸出波形。在圖 4.6 中，各輸出波形彼此互補，從而在負載兩端產(chǎn)生一個差分 PWM 信號。與半橋式拓撲類似，輸出端需要一個外部 LC 濾波器，用于提取低頻音頻信號并防直在負載上耗散

27、高頻能量。全橋式 D 類放大器除具有與 AB 類 BTL 放大器相同的優(yōu)點外，還具有高效特性。全橋式放大器還有一個優(yōu)點是，采用單電源供電時輸出端不需要隔直電容。半橋式放大器則不然，因為它的輸出會在VDD與地之間擺動，空閑時占空比為 50%。這表明它的輸出具有大概 VDD/2的直流偏移。，這個偏移在全橋式放大器中會出現(xiàn)在負載的兩側(cè)，輸出端的直流電流為零。全橋放大器的另一個優(yōu)點是，在相同的電源電壓下，它的輸出信號擺幅是半橋式放大器的 2 倍，因為負載是差分驅(qū)動的。在相同電源電壓下，它可提供的最大輸出功率理論上可以達到半橋式放大器的4倍。然而，全橋式 D 類放大器所需的 MOSFET 開關(guān)個數(shù)也是半

28、橋式拓撲的2倍。雖然我們一般認為更多的開關(guān)會產(chǎn)生更多的傳導和開關(guān)損耗，但是這僅對于大功率輸出的放大器(> 10W)是正確的，因為它們需要更高的輸出電流和電源電壓。半橋式放大器憑借在這一點上的效率優(yōu)勢，常常在大功率應(yīng)用中被采用，可是D類放大器的主要應(yīng)用都集中在低功耗的產(chǎn)品上，所以全橋式的拓撲才是D類功放的首選。全橋式放大器對于MOSFET的要求是導通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。可采用IRF540和IRF9540 MOS管，它們的參數(shù)基本滿足上述要求。互補PWM開關(guān)驅(qū)動信號交替開啟Q1g和Q4g或Q2g和Q3g,再分別經(jīng)過濾波器濾波后輸出功率放大信號。其中R1和R2的作用是加大電路中的阻

29、尼，防止導線的等效電感與柵極電容發(fā)生振蕩。R1和R2的具體選擇是通過實驗比較的方法完成的，實驗測試數(shù)據(jù)如下：RG的選擇測試數(shù)據(jù)（R11K,R2=5.1K，測試點為柵極）RG（歐） 柵極上升時間（us） 柵極下降時間（us）100 1.2 1.439.2 0.5 0.410 0.2 0.15RG選取10歐。頻率越高RG越小，電容越大RG越小。圖4.6 全橋式電路以及LC濾波器4.7低通濾波器采用四階Butterworth低通濾波器（圖4.6）。對低通濾波器的要求是上限頻率應(yīng)大于20kHz,在通頻帶內(nèi)特性平坦。利用multisim軟件進行了仿真，設(shè)定的器件參數(shù)與圖中相同時，仿真結(jié)果如圖所示：通帶內(nèi)

30、較為平坦，保證了20kHz的上限頻率；100kHz、150kHz處分別下降26dB、40dB。 圖4.7 仿真結(jié)果4.8以TPA3122芯片為核心的D類功放電路實現(xiàn)本系統(tǒng)以TI的高性能D類功放TPA3122為核心。芯片是從TI申請的。我們有一對書桌小音箱，功率為10瓦，有低音高音單元。明顯LM386無法滿足要求，且音質(zhì)一般。而D類功放以其高效性及小占地面積而在如今的小型數(shù)碼設(shè)備及平板電視中應(yīng)用廣泛。因此想一試效果。TI的TPA3122功率15W×2,低失真（THD<=0.06%,Rl=8ohm。THD<=0.1%,Rl=4ohm），成為首選器件。D類功放推動管工作在開關(guān)狀

31、態(tài)，而利用導通電阻極小的MOS開關(guān)管可進一步提高效率。芯片中包含一個可產(chǎn)生三角波的振蕩器，然后是將輸入信號與此三角波經(jīng)一電壓比較器產(chǎn)生PWM波控制開關(guān)管開斷，然后經(jīng)過低通濾波器推動揚聲器。電源電路：本電路使用兩片7815提高電源響應(yīng)速度，加入多個大容量電容濾波。變壓器功率40W，（偏小，為降低成本）。功放電路：其中輸入端加一雙聯(lián)電位器20K，GADIN0及GAIN1加跳線帽選接GND或通過一10K電阻到VCC，SD及MUTE CONTROL接法同上。電容選用CBB，獨石電容。濾波選用優(yōu)質(zhì)電解。濾波電路不變。電感選用黃環(huán)纏。元器件明細表：元器件名稱參數(shù)備注C10.68UFCBBC20.68UFC

32、BBC31UF獨石C41UFCBBC51UFCBBC61UFCBBC70.22UF獨石C80.22UF獨石R110K貼片R210K貼片R310K貼片R410K貼片L122UH黃環(huán)L222UH黃環(huán)功放圖片功放正面電源正面功放反面電源反面5音頻D類放大器設(shè)計需要注意的問題通過對D類放大器的具體設(shè)計以及對市場的反潰調(diào)查，我們就會發(fā)現(xiàn)其很多方面的問題，本文經(jīng)過整理，將問題匯總?cè)缦拢?.1輸出晶體管尺寸選擇為了在較寬信號調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗，保證在傳導大的漏源電流（IDS）時漏源電壓（VDS）很小，要求輸出晶體管的導通電阻很?。?.10.2）。故這要求大晶體管具有很大的柵極電容（CG）。開關(guān)電容柵極驅(qū)動電

33、路的功耗為2CVf，“C”是電容，“V”是充電期間的電壓變化，f是開關(guān)頻率。可見這里的開關(guān)損耗與電容和頻率成正比。因此，晶體管尺寸的選擇是傳導期間將IDS× VDS損失降至最小與將開關(guān)損耗降至最小之間的一個折衷。在高輸出功率情況下，功耗和效率主要由傳導損耗決定，而在低輸出功率情況下，功耗主要由開關(guān)損耗決定。功率晶體管制造商試圖將其器件的RON×CG減至最小以減少開關(guān)應(yīng)用中的總功耗，從而提供開關(guān)頻率選擇上的靈活性。5.2輸出級保護輸出級遇到的問題也有很多，如果得不到解決的話，會給電路帶來很多危害，比如欠壓：大多數(shù)開關(guān)輸出級電路只有當正電源電壓足夠高時才能正常工作。如果電源電壓

34、太低，出現(xiàn)欠壓情況，就會出現(xiàn)問題。這個問題可以通過增加電壓判定電路來解決，只有當電源電壓大于欠壓閾值時才允許輸出級工作。另外，還有散熱問題：雖然D類放大器的效率很高，但如果長時間工作的話，產(chǎn)生的熱量仍然會影響輸出晶體管正常工作，在簡單的保護方案中，可以增加監(jiān)視溫度的控制電路。，當通過一個片內(nèi)傳感器測量的溫度超過熱關(guān)斷安全閾值時，輸出級關(guān)斷，并且一直保持到冷卻下來。除了簡單的有關(guān)溫度是否已經(jīng)超過關(guān)斷閾值的二進制指示以外，傳感器還可提供其它的溫度信息。通過測量溫度，控制電路可逐漸減小音量水平，減少功耗并且很好地將溫度保持在限定值范圍內(nèi)，而不是在熱關(guān)斷期間強制不發(fā)出聲音。不僅如此，輸出晶體管電流過大

35、也大有危害：如果揚聲器端和輸出級連接正確，則輸出晶體管會呈現(xiàn)低導通電阻狀態(tài)不會出現(xiàn)問題，但如果這些結(jié)點錯與另一個點或電源短路，產(chǎn)生的電流會很大。如果不經(jīng)核查，這個電流會破壞晶體管或外圍電路。因此，需要電流檢測輸出晶體管保護電路。在簡單保護方案中，如果輸出電流超過安全閾值，輸出級關(guān)斷。在比較復雜的方案中，電流傳感器輸出反饋到放大器中，試圖限制輸出電流到一個最大安全水平，同時允許放大器連續(xù)工作而無須關(guān)斷。在這個方案中，如果限流保護無效，最后的手段是強制關(guān)斷。有效的限流器還可在由于揚聲器共振出現(xiàn)暫時的大瞬態(tài)電流時保持放大器安全工作。5.3信噪比（SNR）由于音頻D類放大器一般用于便攜式產(chǎn)品，所以功耗

36、不會太大，因此SNR通常應(yīng)當超過90 dB，這個要求似乎很容易達到，但是有一點需要注意，實際上音頻D類放大器在設(shè)計期間必須跟蹤具體的噪聲源才能保證達到滿意的總體SNR（Signal to Noise Ratio）5.4失真原因失真原因包括調(diào)制技術(shù)或調(diào)制器實現(xiàn)中的非線性，以及為了解決沖擊電流問題輸出級所采用的死區(qū)時間。在D類調(diào)制器輸出脈寬中通常對包含音頻信號幅度的信息進行編碼。用于防止輸出級沖擊電流附加的死區(qū)時間會引入非線性時序誤差，它在揚聲器產(chǎn)生的失真與相對于理想脈沖寬度的時序誤差成正比。用于避免沖擊最短的死區(qū)時間對于將失真減至最小經(jīng)常是最有利的。另外，輸出脈沖上升時間和下降時間的不匹配、輸出

37、晶體管柵極驅(qū)動電路時序特性的不匹配、以及LC低通濾波器元器件的非線性也是音頻D類放大器的失真源。5.5電源抑制放大器電源線上的噪聲會對輸出信號造成影響，因此必須適當?shù)亍耙种啤痹肼暋ｋ娫匆种票龋≒ower Supply Rejection Ratio）從輸入到輸出的增益除以從電源到輸出的增益）是一個測量放大器抑制這種偏差程度的重要參數(shù)）。在低功耗的D類放大器電路中，電源噪聲幾乎直接耦合到輸出揚聲器，具有很小的抑制作用。發(fā)生這種情況是因為輸出級晶體管通過一個非常低的電阻將電源連接到低通濾波器。我們知道，低通濾波器的作用是來抑制高頻噪聲的，但它會讓所有的音頻頻率通過，其中包括音頻噪聲。如果不解決失真

38、問題和電源問題，就很難達到電源抑制優(yōu)于10 dB，或總諧波失真（THD）優(yōu)于0.1%。解決這些問題的辦法是：使用具有高環(huán)路增益的反饋。LC濾波器輸入的反饋會大大提高電源抑制并且衰減所有非LC濾波器的失真源。LC濾波器非線性可通過在反饋環(huán)路中包括的揚聲器進行衰減。閉環(huán)D類放大器如果經(jīng)過精心設(shè)計，可以達到電源抑制大于60 dB和總諧波失真小于0.01%的較高音質(zhì)。加入反饋固然有諸多好處，但也增加了設(shè)計的復雜程度。D類放大器為了將IC成本減至最低，可以盡量縮減其模擬電路成分。然后檢測電源變化的功能可以用一個數(shù)字開環(huán)調(diào)制器和一個A/D轉(zhuǎn)換器來替代，這樣可以改善電源抑制。對于音質(zhì)要求寬松的應(yīng)用，可通過這

39、些開環(huán)D類放大器進行處理，但如果要達到更好的音質(zhì)要求，有些形式的反饋就是必需的了。5.6LC濾波器的選擇 D類放大器的主要成本缺點是LC濾波器。LC濾波器裝置中的電感器，占用PCB（印制電路板）面積并且增加成本。在大功率放大器中，D類放大器的總體系統(tǒng)成本仍具有競爭力，因為在散熱裝置節(jié)省的大量成本可以抵消LC濾波器的成本。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。在極個別情況下，例如，用于蜂窩電話的低成本放大器，放大器IC的成本可能比LC濾波器的總成本還要低。即使是忽略成本方面的考慮，LC濾波器占用的PCB（Printed Circuit Board）面積也是小型應(yīng)用中的一個問題。為了滿足這

40、些考慮，有時會完全取消LC濾波器，以采用無濾波放大器設(shè)計。這樣可節(jié)省成本和PCB面積，雖然失去了低通濾波器的好處。如果沒有濾波器，EMI和高頻功耗的增加將會不可接受，除非揚聲器采用電感式并且非?？拷糯笃?，電流環(huán)路面積最小，而且功率水平保持很低。盡管這種設(shè)計在便攜式應(yīng)用中經(jīng)常采用，例如，蜂窩電話，但不適合大功率系統(tǒng)，例如，家庭音響。另一種方法是將每個音頻通道所需要的LC濾波器元器件數(shù)減至最少。這可以通過使用單端半橋輸出級實現(xiàn)，它需要的電感器和電容器數(shù)量是差分全橋電路的一半。但如果半橋輸出級需要雙極性電源，那么與產(chǎn)生負電源相關(guān)的成本可能就會過高，除非負電源已經(jīng)有一些其它目的，或放大器有足夠多的音

41、頻通道，以分攤負電源成本。另外，半橋也可從單電源供電，但這樣會降低輸出功率并且經(jīng)常需要使用一個大的隔直流電容器。5.7 實驗中遇到的問題1、功放電路在測試時發(fā)現(xiàn)電源電壓低于9V時完全無聲，說明D類功放有一個非常明確的閥值電壓。2、D類功放的頻率響應(yīng)較線性功放差，但低頻響應(yīng)還好。聽了一段時間D類功放的聲音后再聽線性功放的聲音時明顯感覺聲音刺耳。3、SD及MUTE CONTROL，SD需要接低電平而MUTE CONTROL需要接高電平功放才能開啟。4、黃環(huán)纏出的電感頻率響應(yīng)并不好，功放工作一段時間后就會發(fā)熱，溫度比芯片高。6總結(jié)6.1工作的總結(jié)、回顧 D 類放大器應(yīng)用于音頻功放領(lǐng)域的現(xiàn)狀以及前景都

42、是非常樂觀的，它不僅具有 AB 類放大器的良好線性和最小電路板空間的優(yōu)點，更具有高效率的優(yōu)勢（理論上可達100%）。尤其在現(xiàn)在的電子市場上，生產(chǎn)廠家為了滿足各種各樣的便攜式應(yīng)用，已經(jīng)給我們提供了許多不同種類的音頻D類放大器。大大的滿足了低功耗便攜式應(yīng)用如手機、MP3、對講機和筆記本電腦等等對電池壽命、電路板空間以及 EMI 兼容性的苛刻要求；大功率應(yīng)用如車載音響系統(tǒng)和平板顯示器上也有D類功放的一席之地，因為最大限度降低散熱需求和發(fā)熱量在這類應(yīng)用中必不可少?？傊?，D 類放大器憑借其高效低功耗以及體積小易集成的優(yōu)勢在線性放大器一度占主導地位的應(yīng)用領(lǐng)域盛行起來并將在便攜式產(chǎn)品上表現(xiàn)出超然的地位。本文對 D 類放大器及其最