D類音頻功率放大器的研究與實現(xiàn)
加入技術交流群
1 引 言
本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/167075.htm音頻放大器已經(jīng)快有一個世紀的歷史了，最近幾年，電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展。音質好、電源效率高、發(fā)熱少的D類放大器成為市場的需求。并且由于D類放大器的耗電低、發(fā)熱少等諸多特點，越來越得到日益強調(diào)環(huán)保的市場的認同。同時，便攜電子設備的工作時間一直是廠商全力追求的最重要的性能指標，新的無濾波器D類放大器在幾瓦特的功率級別上正在取代原先固定的AB類器件。與體積龐大的傳統(tǒng)線性放大器相比，使用D類放大器并不影響音頻信號的音質卻能夠實現(xiàn)便攜產(chǎn)品的小型化，因此市場對電子產(chǎn)品薄型化、便攜式的需求趨勢造就了傳統(tǒng)放大器向數(shù)字放大器的轉化。 簡單地說，歷史上出現(xiàn)過三代D類放大器設計：
第一代的范例是由托卡塔設計的TacTMillennium，證實了D類放大器的概念，但是該技術還不能提供足夠的性能，這使第一代D類放大器向著實用性的方向發(fā)展。
第二代D類放大器把一個用于模擬源信號的PWM信號和一個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(diào)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格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超過了AB類放大器，從而獲得了一定的應用。
第三代是最近一段時間，現(xiàn)有的D類數(shù)字放大器較以前的技術已有所改善，他們在音質、封裝、性能、價格和核心技術方面都已取得重大改進。為了生成精確的音頻，輸入晶體管需要在動態(tài)范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助精確地實現(xiàn)準確的功率分配。通過采用一個簡單但功能強大的內(nèi)部控制邏輯系統(tǒng)改善音頻輸出，并額外增加一套輸入晶體管，這些晶體管可以實現(xiàn)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。
2 D類放大器的基本結構
D類放大器的電路共分為三級：輸入開關級、功率放大級及輸出濾波級。
D類放大器工作在開關狀態(tài)下可以采用脈寬調(diào)制(PWM)模式。利用PWM能將音頻輸入信號轉換為高頻開關信號。通過一個比較器將音頻信號與高頻三角波進行比較，當反相端電壓高于同相端電壓時，輸出為低電平；當反相端電壓低于同相端電壓時，輸出為高電平。
在D類放大器中，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)從二者的驅動電路來看，功率MOSFET的驅動電路相對簡單，BJT可能需要多達20％的額定集電極電流以保證飽和度，而MOSFET需要的驅動電流則小得多，而且通常可以直接由CMOS或者集電極開路TTL驅動電路驅動。
(3)MOSFET的開關速度比較迅速，他是一種多數(shù)載流子器件，沒有電荷存儲效應，能夠以較高速度工作。
(4)MOSFET沒有二次擊穿失效機理，他在溫度越高時往往耐力越強，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(nèi)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(shù)。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，在電感性負載開關中特別有用。
場效應管有兩種工作模式，即開關模式或線性模式。所謂開關模式，就是器件充當一個簡單的開關，在開與關兩個狀態(tài)之間切換。線性工作模式是指器件工作在某個特性曲線中的線性部分，但也未必如此。此處的線性是指MOSFET保持連續(xù)性的工作狀態(tài)，此時漏電流是所施加在柵極和源極之間電壓的函數(shù)。他的線性工作模式與開關工作模式之間的區(qū)別是，在開關電路中，MOSFET的漏電流是由外部元件確定的，而在線性電路設計中卻并非如此。D類放大器需要兩只MOSFET，他們在非常短的時間內(nèi)可完全工作在導通或截止狀態(tài)下。當一只MOSFET完全導通時，其管壓降很低；而當MOSFET完全截止時，通過管子的電流為零。兩只MOSFET交替工作在導通和截止狀態(tài)的開關速度非常快，因而效率極高，產(chǎn)生的熱量很低，所以D類放大器不需要散熱器。
3脈寬調(diào)制(PWM)
采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)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類數(shù)字音頻功率放大器與上述各類模擬功放的最大區(qū)別是不以線性放大音頻信號為基礎，而是以放大數(shù)字信號為原理的一種數(shù)字信號放大技術。D類數(shù)字功放首先把模擬音頻信號變換為脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號，如圖1所示。
 |
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)進行A／D(模擬／數(shù)字)變換，然后再把PWM數(shù)字信號進行高效率放大(D類放大)。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關，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(diào)出來。圖2是D類數(shù)字功放的原理圖，為每個數(shù)字聲源直接輸出的PCM信號輸入，機內(nèi)還設置有一個PCM／PWM兩種脈沖編碼的轉換裝置。
相關推薦技術專區(qū) |
評論