D類音頻功率放大器設(shè)計基礎(chǔ)

　???D功放是基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的開關(guān)放大器，包括脈沖寬度調(diào)制器(幾百千赫茲開關(guān)頻率)，功率橋電路，低通濾波器。本文從構(gòu)成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比、MOSFET的選擇與功率損耗、失真和噪音產(chǎn)生、音頻性能等D類音頻功率放大器設(shè)計有關(guān)的基礎(chǔ)問題作分析,并例舉D類功率放大器參考設(shè)計。

　　1、 D類功放基本構(gòu)成

　　目前有很多種不同種類的功放,如：A類、B類、AB類等。但D類功放與其不同的是基本是一個開關(guān)功放或者是脈寬調(diào)制功放。為此,主要將對說明這類D類功放作以說明。

　　在這種D類功放中，器件要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉，大幅度減少了輸出器件的功耗，效率達90-95%都是可能的。音頻信號是用來調(diào)制PWM載波信號，其載波信號可以驅(qū)動輸出器件，用最后的低通濾波器去除高頻PWM載波頻率。

　　眾所周知, A類、B類和AB類功放均是線形功放,那么D類功放與它們究竟有什么不同?我們首先應(yīng)作討論。圖1是D功放原理框圖，在一個線性功放中信號總是停留在模擬區(qū)，輸出晶體管(器件)擔(dān)當(dāng)線性調(diào)整器來調(diào)整輸出電壓。這樣在輸出器件上存在著電壓降，其結(jié)果降低了效率。
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　　而D類功放采用了很多種不同的形式，一些是數(shù)字輸入，還有一些是模擬輸入，在這里我們將集中討論一下模擬輸入。

　　上面圖1顯示的是半橋D類功放的基本功能圖，其中給出了每級的波形。電路運用從半橋輸出的反饋來補償母線電壓的變化。那末D類功放是如何工作的呢?D類功放的工作原理和PWM的電源是相同的，我們假設(shè)輸入信號是一個標(biāo)準(zhǔn)的音頻信號，而這個音頻信號是正弦波，典型頻率從20Hz到20kHz范圍。這個信號和高頻三角或鋸齒波形相比可以產(chǎn)生PWM信號，見圖2a中所示。這個PWM信號被用來驅(qū)動功率級，產(chǎn)生放大的數(shù)字信號，最后一個低通過濾波器被用在這個信號上來濾掉PWM載波頻率，重新得到正弦波音頻信號，見圖2b中所示。
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　　2、 從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比-看線性和D類不同

　　值此將討論線性功放(A類和AB類)和D類數(shù)字功放的不同之處。這兩者之間主要的不同是效率，這也是為什么要發(fā)明D類功放的原因。線性功放就其性能而言具有固有的線性，但是即使是AB功放其效率也只有50%，而D類功放的效率很高，在實際的設(shè)計中達90%。

　　增益-線性功放增益不受母線電壓影響而變化，然而D類功放的增益是和母線電壓成比例的。這就意味著D類功放的電源抗擾比率是0dB,而線性的PSRR(電源供應(yīng)抑制比率)就很好。在D類功放中普遍用反饋來補償母線電壓變化。

　　能量流向-在線性功放中，能量是從電源到負(fù)載，雖然在全橋D類功放中也是這樣，但半橋D類功放還是不同的，因為能量可以雙向流動而導(dǎo)致“母線電壓提升”現(xiàn)象產(chǎn)生，這樣會造成母線電容被從加載來的能量充電。這個主要發(fā)生在低頻上，如低于100Hz是這樣。

　　3、 D類功放與Buck降壓轉(zhuǎn)換器類拓?fù)洳町?/p>

　　在D類功放和同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)湓碜魅鐖D3所示。這兩個電路之間的主要不同有三：其一、對于同步降壓轉(zhuǎn)換器，其基準(zhǔn)電壓來自反饋電路的慢慢變化的穩(wěn)定電壓;而D類功放的參考信號是一個不斷變化的音頻信號。也就是說，同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比是相對穩(wěn)定的，而D類以圍繞50%占空比不斷地改變。其二、在同步降壓轉(zhuǎn)換器中負(fù)載電流的方向總是朝著負(fù)載，即電感電流為單向,見圖3左所示。但是在D類功放中電流是朝著兩個方向的，即電感電流為雙向，見圖3右所示。最后的不同是MOSFET的優(yōu)化方式。同步降壓轉(zhuǎn)換器對于高低端的晶體管有著不同的優(yōu)化，較長的周期需要較低的Rds(on)，而較短的周期需要低的Qg(柵極電荷)，即兩個開關(guān)作用不同。但D類功放對兩個MOSFET有著相同的優(yōu)化方式。高低端器件有相同的Ras(on),即兩個開關(guān)作用相同。
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　　4、 D類功放中MOSFET的選擇

　　在功放中要達到高性能的關(guān)鍵因素是功率橋電路中的開關(guān)。在開關(guān)過程中產(chǎn)生的功率損耗、死區(qū)時間和電壓、電流瞬時毛刺等都應(yīng)該盡可能的最小化來改善功放的性能。因此，在這種功放中開關(guān)要做到低的電壓降，快速的開關(guān)時間和低雜散電感。

　　由于MOSFET開關(guān)速度很快，對于這種功放它是你最好的選擇。它是一個多數(shù)載流子器件，相對于IGBT和BJT它的開關(guān)時間比較快，因而在功放中有比較好的效率和線性度。而MOSFET的選擇是基于功放規(guī)格而定。因而在選擇器件以前要知道輸出功率和負(fù)載阻抗(如100W 8Ω)，功率電路拓?fù)?如半橋梁或全橋)，調(diào)制度(如89%—90%)。