D類數(shù)字功率放大器

1、.3.3 D類數(shù)字功放D類功放也叫丁類功放，是指功放管處于開關工作狀態(tài)的功率放大器。早先在音響領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A類功放的低效率和高損耗卻是它無法克服的先天頑疾。后來效率較高的B類功放得到廣泛的應用，然而，雖然效率比A類功放提高很多，但實際效率仍只有50%左右，這在小型便攜式音響設備如汽車功放、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，如今效率極高的D類功放，因其符合綠色革命的潮流正受著各方面的重視，并得到廣泛的應用。3.3.1 D類功放的特點與電路組成1D類功放的特點（1）效率高。在理想情況下

2、，D類功放的效率為100%（實際效率可達90%左右）。B類功放的效率為78.5%（實際效率約50%），A類功放的效率才50%或25%（按負載方式而定）。這是因為D類功放的放大元件是處于開關工作狀態(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，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。（2）功率大。在D類功放中，功率管的耗電只與管子的特性有關，而與信號輸出的大小無關，所以特別有利于超大功率的場合，輸出功率可達數(shù)百瓦。（3）失真低。D類功放因工作在開關狀態(tài)，

3、因而功放管的線性已沒有太大意義。在D類功放中，沒有B類功放的交越失真，也不存在功率管放大區(qū)的線性問題，更無需電路的負反饋來改善線性，也不需要電路工作點的調試。（4）體積小、重量輕。D類功放的管耗很小，小功率時的功放管無需加裝體積龐大的散熱片，大功率時所用的散熱片也要比一般功放小得多。而且一般的D類功放現(xiàn)在都有多種專用的IC芯片，使得整個D類功放電路的結構很緊湊，外接元器件很少，成本也不高。2D類功放的組成與原理D類功放的電路組成可以分為三個部分：PWM調制器、脈沖控制的大電流開關放大器、低通濾波器。電路結構組成如圖3.22所示。圖3.22 D類功放的組成其中第一部分為PWM調制器。最簡單的只需

4、用一只運放構成比較器即可完成。把原始音頻信號加上一定直流偏置后放在運放的正輸入端，另外通過自激振蕩生成一個三角形波加到運放的負輸入端。當正端上的電位高于負端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零時，因其直流偏置為三角波峰值的1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時間一樣，輸出就是一個占空比為1：1的方波。當有音頻信號輸入時，正半周期間，比較器輸出高電平的時間比低電平長，方波的占空比大于1：1；音頻信號的負半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少，方波占空比小于1：1。這樣，比較器輸出的波形就是一個

5、脈沖寬度被音頻信號幅度調制后的波形，稱為PWM（Pulse Width Modulation脈寬調制）或PDM（Pulse Duration Modulation脈沖持續(xù)時間調制）波形。音頻信息被調制到脈沖波形中，脈沖波形的寬度與輸入的音頻信號的幅度成正比。第二部分為脈沖控制的大電流開關放大器。它的作用是把比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號。能夠輸出的最大功率由負載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。第三部分為由LC網絡構成的低通濾波器。其作用是將大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。利用一個低通濾波器，可以濾除PWM信號中的交流成份，取出PWM信號中的平均值，該平

6、均值即為音頻信號。但由于此時電流很大，RC結構的低通濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。當占空比大于1：1的脈沖到來時，C的充電時間大于放電時間，輸出電平上升；窄脈沖到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相一致，所以原音頻信號被恢復出來。D類功放的工作原理見圖3.23。（a）原理簡圖 （b）工作波形圖3.23D類功放原理圖對于數(shù)字音頻信號輸入時，經數(shù)字內插濾波器和等比特調制器后，即可得到脈沖寬度與數(shù)字音頻的采樣點數(shù)據成正比的PWM信號。其中數(shù)字內插濾波器是在數(shù)字音頻信號的數(shù)據之間再插入一些相關聯(lián)的數(shù)據，以內插方式提高數(shù)字音頻信號的采樣點數(shù)（采樣頻率），等比

7、特調制器是將數(shù)字信號的數(shù)據大小轉換為脈沖的寬度，使輸出信號的脈沖寬度與輸入數(shù)據的大小成正比。3D類功放的要求（1）對功率管的要求。D類功放的功率管要有較快的開關響應和較小的飽和壓降。D類功放設計考慮的角度與AB類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太大意義，更重要的是開關響應和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關響應要好。另外，整機的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所以，管子的飽和壓降小不但效率高，且功放管的散熱結構也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價格昂貴，限制了D類功放的發(fā)展，現(xiàn)在小電流控制大電流的MOSFET已在Hi-

8、Fi功放上得到廣泛應用。（2）對PWM調制電路的要求。PWM調制電路也是D類功放的一個特殊環(huán)節(jié)，要把20kHz以下的音頻調制成PWM信號，三角波的頻率至少要達到200kHz（三角波的頻率應在音頻信號頻率的1020倍以上）。當頻率過低時要達到同樣要求的THD（總諧波失真）標準，則對無源LC低通濾波器的元件要求就高，結構復雜。如果三角波的頻率高，輸出波形的鋸齒小，就能更加接近原波形，使THD小，而且可以用低數(shù)值、小體積和精度要求相對差一些的電感和電容來構成低通濾波器，造價相應降低。但是，晶體管的開關損耗會隨頻率的上升而上升，無源器件中的高頻損耗、射頻的聚膚效應都會使整機效率下降。更高的調制頻率還會

9、出現(xiàn)射頻干擾，所以調制頻率也不能高于1MHz。而在實際的中小功率D類數(shù)字功放中，當三角波的頻率達到500kHz以上時，也可以直接由揚聲器的音圈所呈現(xiàn)的電感來還原音頻信號，而不用另外的LC低通濾波器。另外在PWM調制器中，還要注意到調制用的三角波的形狀要好、頻率的準確性要高、時鐘信號的抖晃率要低，這些參數(shù)都會影響到后面輸出端由LPF所復原的音頻信號的波形是否與輸入端的原音頻信號的波形完全相同，否則會使兩者有差異而產生失真。（3）對低通濾波器的要求。位于驅動輸出端與負載之間的無源LC低通濾波器也是對音質有重大影響的一個重要因數(shù)。該低通濾波器工作在大電流下，負載就是音箱。嚴格地講，設計時應把音箱阻抗

10、的變化一起考慮進去，但作為一個功放產品指定音箱是行不通的，所以D類功放與音箱的搭配中更有發(fā)燒友馳騁的天地。實際證明，當失真要求在0.5%以下時，用二階Butterworth最平坦響應低通濾波器就能達到要求。如要求更高則需用四階濾波器，這時成本和匹配等問題都必須加以考慮。近年來，一般應用的D類功放已有集成電路芯片，用戶只需按要求設計低通濾波器即可。（4）D類功放的電路保護。D類功率放大器在電路上必須要有過電流保護及過熱保護。此二項保護電路為D類功率IC或功率放大器所必備，否則將造成安全問題，甚至傷及為其供電的電源器件或整個系統(tǒng)。過電流保護或負載短路保護的簡單測試方法：可將任一輸出端與電源端（Vc

11、c）或地端（Ground）短路，在此狀況下短路保護電路應被啟動而將輸出晶體管關掉，此時將沒有信號驅動喇叭而沒有聲音輸出。由于輸出短路是屬于一種嚴重的異常現(xiàn)象，在短路之后要回到正常的操作狀態(tài)必需重置（Reset）放大器，有些IC則可在某一延遲（Delay）時間后自動恢復。至于過熱保護，其保護溫度通常設定在150160C，過熱后IC自動關掉輸出晶體管而不再送出信號，待溫度下降20C30C之后自動回復到正常操作狀態(tài)。（5）D類功放的電磁干擾。D類功率放大器必須要解決AB類功率放大器所沒有的EMI（Electro Magnetic Interference，電磁干擾）問題。電磁干擾是由于D類功率放大器

12、的功率晶體管以開關方式工作，在高速開關及大電流的狀況下所產生的。所以D類功放對電源質量更為敏感。電源在提供快速變化的電流時不應產生振鈴波形或使電壓變化，最好用環(huán)牛變壓器供電，或用開關電源供電。此外解決EMI的方案是使用LC電源濾波器或磁珠（bead）濾波器以過濾其高頻諧波。中高功率的D類功率放大器因為EMI太強目前采用LC濾波器來解決，小功率則用Bead處理即可，但通常還要配合PCB版圖設計及零件的擺設位置。比如，采用D類放大器后，D類放大器接揚聲器的線路不能太長，因為在該線路中都攜帶著高頻大電流，其作用猶如一個天線輻射著高頻電磁信號。有些D類放大器的接線長度僅可支持2cm，做得好的D類放大器

13、則可支持到10cm。3.3.2 D類功放實例下面以荷蘭飛利浦公司生產的TDA8922功放芯片為例，對D類功放電路進行介紹。TDA8922是雙聲道、低損耗的D類音頻數(shù)字功率放大器，它的輸出功率為225W。具有如下特點：效率高（可達90%），工作電壓范圍寬（電源供電12.5V30V），靜態(tài)電流?。ㄗ畲箪o流不超過75mA），失真低，可用于雙聲道立體聲系統(tǒng)的放大（SE接法，Single-Ended）或單聲道系統(tǒng)的放大（BTL接法，Bridge-Tied Load），雙聲道SE接法的固定增益為30dB，單聲道BTL接法的固定增益為36dB，輸出功率高（典型應用時225W），濾波效果好，內部的開關振蕩頻率

14、由外接元件確定（典型應用為350kHz），并具有開關通斷的“咔嗒/噼噗”噪聲抑制，負載短路的過流保護，靜電放電保護，芯片過熱保護等功能。廣泛應用于平板電視、汽車音響、多媒體音響系統(tǒng)和家用高保真音響設備等。1內部結構與引腳功能TDA8922的內部結構如圖3.24所示，包含兩個獨立的信號通道和這兩個通道共用的振蕩器與過熱、過流保護及公共偏置電路。每個信號通道主要包括脈寬調制和功率開關放大兩個部分。圖3.24 TDA8922內部結構（1）脈寬調制。輸入的模擬音頻信號經電壓放大后，與固定頻率的三角波相比較，全部音頻信息被調制在PWM 信號的寬度變化中。三角波的產生由壓控振蕩器實現(xiàn)，三角波的頻率由7腳外

15、接的RC定時元件確定。比較器是一個帶鎖相環(huán)的脈寬調制電路，調制后的電路與功率輸出級的門控電路相連，地線被連接到公共地端。當音頻信號幅度大于三角波信號幅度時，比較器輸出高電平，反之，比較器輸出低電平。PWM 信號是一個數(shù)字脈沖信號，其脈寬的變化反映音頻信號的全部信息。脈沖信號的高、低電平控制兩組功率管的通/斷，高/低兩值之間的轉換速度決定兩組功率管之間的通/斷的轉換時間。電路中采用觸發(fā)器來調整比較器輸出的波形，通過快速轉換使輸出波形得到明顯的改善。（2）功率開關放大。功率開關放大部分由門控電路、高電平與低電平驅動電路、MOSFET功率管所組成。門控電路用于輸出級的功率開關管在開關工作時的死區(qū)校正

16、，防止兩個MOSFET管在交替導通的瞬間的穿透電流所引起的無用功耗，因為在高頻開關工作時，需要分別將兩個MOSFET管的截止時間提前而將導通時間滯后，防止兩個管子在交替導通的瞬間同時導通而產生貫通電流，這一貫通電流是從正電源到負電源直通而不流向負載的。PWM 信號控制著MOSFET功率管的通/斷，驅動揚聲器發(fā)聲。開關功率管集成在數(shù)字功率IC內，有利于縮小整個功放的體積，降低成本，提高產品競爭力。在輸出端與高電平驅動器之間接有自舉電容，用于提高在上管導通期間的高電平驅動器送到上管柵極的驅動電平，保證上管能夠充分導通。（3）工作模式選擇與過熱過流保護電路。TDA8922芯片中除了每個聲道中的脈寬調

17、制與功率開關放大電路外，還有工作模式選擇與過熱保護與過流保護。6腳為工作模式選擇端，當6腳外接5V電源時為正常工作模式，此時D類功放各電路正常工作；當6腳接地（0V）時為待機狀態(tài)，此時芯片內的主電源被切斷，主要電路都不工作，整機靜態(tài)電流極?。划?腳電平為電源電壓的一半（約2.5V）時為靜音狀態(tài)，此時各電路都處于工作狀態(tài)，但輸入級音頻電壓放大器的輸出被靜音，無信號輸送到揚聲器而無聲。過熱保護與過流保護是通過芯片溫度檢測和輸出電流檢測來實現(xiàn)的。當溫度傳感器檢測到芯片溫度150 C時，則過熱保護電路動作，將MOSFET功放級立即關閉；當溫度下降至約130 C時，功放級將重新開始切換至工作狀態(tài)。如果功

18、放輸出端的任一線路短路，則功放輸出的過大電流會被過流檢測電路所檢出，當輸出電流超過最大輸出電流4A時，保護系統(tǒng)會在1s內關閉功率級，輸出的短路電流被開關切斷，這種狀態(tài)的功耗極低。其后，每隔100毫秒系統(tǒng)會試圖重新啟動一次，如果負載仍然短路，該系統(tǒng)會再次立即關閉輸出電流的通路。除過熱過流保護外，芯片內還有電源電壓檢測電路，如果電源電壓低于12.5伏，則欠壓保護電路被激活而使系統(tǒng)關閉；如果電源電壓超過32伏，則過壓保護電路會啟動而關閉功率級。當電源電壓恢復正常范圍（12.5V32V）時，系統(tǒng)會重新啟動。（4）輸出濾波器。輸出濾波器的用途是濾除PWM 信號中的高頻開關信號和電磁干擾信號, 降低總諧波

19、失真。LPF參數(shù)的選擇與系統(tǒng)的頻率響應和濾波器的類型有關。音頻信號的頻率在20Hz20 kHz，而開關脈沖信號和電磁干擾信號的頻率都遠大于音頻信號頻率，因此LPF所用的LC元件參數(shù)，可選擇在音頻通帶內具有平坦特性的低通濾波器。TDA8922包含兩個獨立的功率放大通道，這兩個獨立的通道可接成立體聲模式，也可接成單聲道模式。立體聲模式采用SE（Single-Ended）接法，如圖3.24所示，L、R輸入的模擬音頻信號分別送入各自聲道的輸入端，L、R揚聲器分別接在各自聲道輸出端的LPF上，從而構成立體聲放音系統(tǒng)；單聲道模式采用平衡橋式（BTL）接法，如圖3.25所示，此時兩個通道的輸入信號的相位相反

20、，揚聲器直接跨接在兩個通道的輸出端，此時揚聲器獲得的功率可增加一倍（6dB）。圖3.25TDA8922用于單聲道的BTL接法TDA8922TH各引腳的功能如表3.2所示。表3.2TDA8922各引腳功能 引腳符號功能引腳符號功能1VSSA2通道2模擬電路的負電源供電端13PROT保護電路用的外接時間常數(shù)電容2SGND2通道2的信號接地端14VDDP1通道1功率輸出級開關電路的正電源供電端3VDDA2通道2模擬電路的正電源供電端15BOOT1通道1自舉電容4IN2通道2音頻輸入負端16OUT1通道1的PWM信號輸出端5IN2+通道2音頻輸入正端17VSSP1通道1功率輸出級開關電路的負電源供電端6MOD