ABABD類音頻功率放大器

1、D 類音頻功率放大器 <Class D Audio Power Amplifier）近二十年來(lái)電子學(xué)課本上所討論的放大器偏壓(Bias>分類不外乎 A 類、 B類、 C 類等放大電路，而討論音頻功率放大器僅強(qiáng)調(diào)A 類、 B 類、 AB 類而卻把D 類放大器給忘掉了，事實(shí)上D 類放大器早在 1958年已被提出 (注一 >，甚至還有 E 類、 F 類、 G 類、 H 類及 S 類等 (注二 >，只是這些類型的電路與 D 類很接近，運(yùn)用機(jī)會(huì)低， 所以也就很少被提及。音頻功率放大器最大目的在提供喇叭得到最大功率輸出，而衛(wèi)衍生與電源所供給功率不對(duì)等的關(guān)系，即所謂功率放大器的效率

2、(輸出功率與輸入功率之比 >如表一所示 :偏壓分類A 類AB 類B 類D 類理想效率25%介于 A與 B類之間78.5%100%表一 各類功率放大器的效率比較隨著輕、薄、短、小手持電子裝置的發(fā)展，諸如手機(jī)、MP3、PDA、IPOD及 LCD TV 數(shù)位家庭等，尋求一個(gè)省電的高效率音頻功率放大器是必然的。因此最近幾年音頻功率放大器由 AB 類功率放大器轉(zhuǎn)以 D 類功率放大器為主流。如圖 1 所示 (注三 >，在實(shí)際應(yīng)用上 D 類放大效率可達(dá) 90%以上遠(yuǎn)超過(guò)效率50%的 AB 類放大。所以 D 類放大的晶體管散熱可大大的縮小，很適合應(yīng)用于小型化的電子產(chǎn)品。圖1D 類及AB 類效率比較

3、A 類放大器 ( 又稱甲類放大器 >的特點(diǎn)是不論是否輸入信號(hào)，其輸出電路恒有電流流通，而且這種放大器通常是在特性曲線的線性范圍內(nèi)操作，如圖2 所示，以求放大后的信號(hào)不失真。所以它的優(yōu)點(diǎn)，是失真度小，信號(hào)越小傳真度越高，最大的缺點(diǎn)是“功率效益” <Power Efficiency ）低，最大只有 25%，不輸入信號(hào)時(shí)絲毫不降低消耗功率，極不適合做功率放大。但因其高傳真度，部分高級(jí)音響器材仍采用A 類放大器。圖 1圖 2(a>、(b>皆屬 A 類放大器，設(shè)計(jì)時(shí)讓 V CE =1/2V CC，以求最大不失真范圍。注意到 V i 不輸入時(shí)仍有 0.5VCC/R L 的電流流過(guò)晶

4、體管，所以晶體管需要良好的散熱環(huán)境。因?yàn)椤肮布瘶O”組態(tài) <圖 2(a> Common Collector 組態(tài)又稱“射極跟隨器”）轉(zhuǎn)移特性曲線較“共射極”組態(tài) <圖 2(b> Common Emitter 組態(tài)）有較佳的線性度 <亦即失真較低）及較低的輸出組抗，因此，同屬于A 類放大器，射級(jí)隨耦器卻較常被當(dāng)成輸出級(jí)使用<“共射級(jí)”組態(tài)較常被當(dāng)成“驅(qū)動(dòng)級(jí)”使用）。ab圖2A 類放大器圖 3 變壓器耦合 A 類放大器圖 4 變壓器耦合 A 類放大器的直流負(fù)載特性B 類功率放大器 <乙類功率放大器）是工作點(diǎn)在特性線極端處的一種放大器，如圖1 所示。當(dāng)沒有信號(hào)

5、輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。所以，若將上圖的左圖 V BB 拿掉，則根據(jù)定義，這種零偏壓的電路就是一種B 類放大器。然而，因?yàn)樗撵o態(tài)點(diǎn)在 <VCC ，0 ）處，因此，對(duì)于一個(gè)正弦波輸入信號(hào)，它的輸出端波形只剩半個(gè)周期是可以預(yù)期的。圖1 B類功率放大器電路圖解決上述問題的方法，是將另一半周期的信號(hào)以一PNP 型 BJT 與原射級(jí)跟隨器相接，形成所謂的“互補(bǔ)式射級(jí)跟隨器 ”(Complementary Emitter Follower>，又稱為“ B 類推挽式放大器”<Class B Push-Pull Amplifier），如圖 1 所示。其動(dòng)作原理，在V i 的正半周其間

6、， Q1 導(dǎo)通且 Q2 截止，所以，形成圖2 的輸出端正半周正弦波；同理，當(dāng) Vi 為負(fù)半周時(shí)， Q1 截止而 Q2 導(dǎo)通，結(jié)果形成輸出端負(fù)半周正弦波，如圖2 虛線部分所示。圖 2 B 類功率放大器特性圖因?yàn)?B 類推挽式放大器在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)不消耗功率，因此它較A 類放大器有更高的最大功率效益<可達(dá) 78%）。然而，因?yàn)橥仆焓椒糯笃鞯男盘?hào)振幅范圍有一段是在特性線的非線性區(qū)域上，因此導(dǎo)致嚴(yán)重的失真，如2 所示，這種失真我們稱它做“交越失真”<Cross-Over Distortion）。為了改善這種情形，所以有了AB 類放大器，見下篇。圖 3 B 類雙端推挽放大器圖 4 交流信號(hào)輸入

7、示意圖圖 5 集極電流的變化情形AB類功率放大器 <又稱 - 甲乙類功率放大器） <Class ABAmplifier）前面提到的B 類推挽式放大器的交越失真，是因?yàn)樾盘?hào)大小在-0.6V<V i <0.6V 之間時(shí)， Q1、 Q2皆無(wú)法導(dǎo)通所引起的，因此，如果我們?cè)赒1及 Q2的 VBE之間加上兩個(gè)0.6V 的電池，使輸入信號(hào)在±0.6V 之間大小時(shí)， Q1、 Q2也可以導(dǎo)通 <彷佛一個(gè) A 類放大器有加上VBB偏壓一般），以降低失真，這種情形，就是AB 類放大器，如圖1 所示。圖 1 AB 類放大器AB類放大器所產(chǎn)生的失真雖然比B 類放大器小，但這項(xiàng)改

8、進(jìn)所付出的代價(jià)是待命功率的浪費(fèi)及功率效率的損失。G類放大器一般用于高頻電路，這里不再敷述。圖 2(a>B 類放大器的交越失真圖2(b>AB 類放大器消除交越失真的情形圖 3 變壓器耦合 AB 類推挽放大器圖 4 AB 類放大器對(duì)于交叉失真的改善情形各種類型放大器優(yōu)缺點(diǎn)比較：A 類放大器B 類放大器AB 類放大器C 類放大器工作點(diǎn)位置負(fù)載線中點(diǎn)負(fù)載線截止點(diǎn)負(fù)載線中點(diǎn)與截止負(fù)載線截止點(diǎn)以下點(diǎn)之間的區(qū)域?qū)ń嵌?360°=180°180° 360°0° 180°失真度失真最小失真度略高于 AB可消除交叉失真失真度最大，有截類，有

9、交叉失真波失真功率轉(zhuǎn)移效率效率最低，在 50%效率約為 50%至效率略低于 B 類效率最高，在 85%以下78.5%以上主要用途失真度低的小功率大功率放大器一般的音響擴(kuò)大機(jī)射頻電路與倍頻器放大器三極管 Hi-Fi 放大器的功率級(jí)大部分使用 B 類 SEPP.OTL功率放大電路。因?yàn)?B 類放大電路功率較高，最高達(dá) 78.5%，除非是發(fā)燒級(jí)的音響，為求完美的不失真才會(huì)用 A 類。就三極管的散熱以及電源電路的容量， B 類都比 A 類好很多。PP電路中雖然有輸出電路產(chǎn)生的偶次高諧波可互相抵銷的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際上，主放大器推動(dòng) PP電路中的 A 類驅(qū)動(dòng)級(jí)就會(huì)產(chǎn)生二次高諧波，因此高諧波還是很多。不過(guò)， B

10、 類 PP電路為減少交叉失真，須特別注意偏壓的穩(wěn)定。以下介紹幾個(gè)代表性的 B 類 SEPP.OTL電路圖 a 半對(duì)稱互補(bǔ) OTL 放大電路圖 b 全對(duì)稱互補(bǔ) OTL 放大電路圖一 輸入變壓器式功放電路輸入變壓器式 SEPP 電路如圖一，利用輸入變壓器進(jìn)行相位反轉(zhuǎn)作用。線路簡(jiǎn)單而中心電壓又穩(wěn)定，如果使用兩電源方式，可簡(jiǎn)單剪掉輸出電容器。又，輸出短路時(shí)，不容易流出大電流，對(duì)過(guò)載引起的破壞，有很大的防止作用。不過(guò)因?yàn)檩斎胱儔浩鞯挠绊?，不能有較深的負(fù)反饋，所以不能獲得較低的失真，在高頻特性及失真會(huì)顯著惡化是主要缺點(diǎn)。CE 分割方式圖二 CE 分割方式如圖二所示，利用三極管 Q1 集電極與發(fā)射極之相位相

11、反進(jìn)行反向的方式，與真空管的 PK分割相同。因?yàn)榭梢杂?NPN型三極管構(gòu)成，所以很容易找到特性整齊的三極管。但是，因?yàn)橛须娐繁容^復(fù)雜，需用的交連電容多，低頻特性不好，所以一直不能成為主流的電路。互補(bǔ)方式圖三 互補(bǔ)方式如圖三所示，利用NPN 與 PNP 型三極管之組合作為相位相反兼驅(qū)動(dòng)的電路，三極管放大器幾乎都使用這種方式。因?yàn)殡娐分苯咏贿B，相位偏差少，且可以有較大的負(fù)反饋，所以容易作成超低失真度的放大器?？梢垣@得Intermodulation少，輸出組抗低等優(yōu)點(diǎn)。然而，過(guò)載時(shí)有非常大的電流經(jīng)過(guò)輸出三極管，因此必須有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路。從防止被破壞來(lái)講，這點(diǎn)很不利。此外，輸出三極管之偏壓須經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化

12、，對(duì)于電源電壓之變動(dòng)及溫度變化須做適當(dāng)補(bǔ)償。輸出三極管雖然亦有采用NPN和 PNP 型組合的純互補(bǔ)電路，但是大輸出的PNP 硅晶體現(xiàn)在很貴，不容易買到，所以較少采用。利用硅NPN 及鍺 PNP 三極管組合的純互補(bǔ)電路，上下對(duì)稱特性雖然較差，但因?yàn)榫€路單純，所以最常被使用?，F(xiàn)在就圖三的電路圖作說(shuō)明。圖三是互補(bǔ)式放大器第二級(jí)后的電路。Q1 為 A 類驅(qū)動(dòng)級(jí)，利用VR1 偏壓調(diào)整，改變Q1 的集電極電流，將中心電壓調(diào)整到 Vcc 的 1/2 。因?yàn)槔?R2 從 Q1 的集電極 ( 約與中間電壓同電位> 進(jìn)行 DC 負(fù)反饋加以穩(wěn)定化，因此只要電路常數(shù)選擇的當(dāng)，中間電壓幾乎沒有調(diào)整的必要。二極管

13、與VR2用來(lái)改變Q2與 Q3的基極偏壓，進(jìn)而調(diào)整Q4及 Q5的無(wú)信號(hào)電流。無(wú)信號(hào)電流在Pc 100W級(jí)的三極管以3050mA，Pc 25W級(jí)的三極管以2030Am最恰當(dāng)。 Q3 ，Q4負(fù)責(zé)信號(hào)的上半部， Q2 ，Q5 負(fù)責(zé)信號(hào)的下半部，分別交替進(jìn)行動(dòng)作。因此，無(wú)信號(hào)電流如果太少，即出現(xiàn)跨越失真，上下信號(hào)之接和部分變形。無(wú)信號(hào)電流如過(guò)多，則損失增多，產(chǎn)生熱的問題，因此須利用溫度補(bǔ)償使其保持一定大小。溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ纫幌聲?huì)提到。直接交連雙電源無(wú)電容式方式圖四 交連雙電源無(wú)電容式方式從圖四可知，將互補(bǔ)式電路的初級(jí)改成差動(dòng)放大，使電源電壓即使有變動(dòng)，中間電壓亦能保持零電位的電路，就是直接交連二晶體無(wú)電

14、容方式。因?yàn)闆]有輸出電容，所以低頻部分阻尼特性非常好，即使1 KHz 附近的波形，亦可完整而極少失真的再現(xiàn)。但是，加上電源時(shí)，中間電壓的穩(wěn)定度會(huì)有問題，Q1，Q2 的差動(dòng)放大級(jí)與Q3的 A 類驅(qū)動(dòng)級(jí)，電路常數(shù)應(yīng)適當(dāng)選擇，使加上電源時(shí)，盡可能由低電壓開始動(dòng)作。負(fù)反饋與阻尼因數(shù)放大器的阻尼因數(shù)以DF=RL/Zout 表示，因此，輸出阻抗越低的放大器DF越好，不加負(fù)反饋的互補(bǔ)電路，輸出阻抗為15 。使用 complementary電路放大器，輸出阻抗很容易做到 0.1 以下。沖擊噪聲防止電路OTL電路當(dāng)電源加入時(shí)，輸出電容瞬間被充電，因此一下子會(huì)有很大的沖擊。防止這個(gè)沖擊的方法，就是使中間電壓慢慢上

15、升，圖四即為此種電路的例子。溫度補(bǔ)償方式使用三極管的功率放大器為防止熱失控，須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。順便補(bǔ)充一下前面說(shuō)過(guò)的互補(bǔ)式電路的溫度補(bǔ)償。三極管溫度一上升，電流亦增加，此增加部分可用二極管，熱電阻或三極管等進(jìn)行補(bǔ)償。因?yàn)檠a(bǔ)償可以減少跨越失真，因此，可以達(dá)到穩(wěn)定無(wú)信號(hào)電流的作用。對(duì)于電源電壓的變動(dòng)亦有穩(wěn)定化的必要。圖六為利用熱敏電阻及三極管作補(bǔ)償之例，具有非常優(yōu)秀的特性。圖六溫度補(bǔ)償方式頻率特性以及功率頻帶寬度頻率特性為判斷放大器好壞一個(gè)很重要的因素，通常以輸入方波的方式看輸出的波型來(lái)看頻率特性。圖九是一特性平坦的放大器，波型右側(cè)微微成直線下斜是因?yàn)?0 Hz附近頻率特性下降的緣故。圖十之波形上升

16、部分略成圓鈍，表示中頻的100500Hz 部分特性略有起伏變化。圖11 之方波頻率為10 KHz ，輸出波形非常漂亮，此放大器之特性至少?gòu)?KHz到50 KHz附近均完全平坦。圖12 因?yàn)?0Khz 附近之頻率特性下降，所以上升部份成圓鈍狀。因?yàn)檫@些方波特性可以直接表現(xiàn)出頻率特性的好壞，所以非常重要。如果輸出波形有Ringing現(xiàn)象，表示高頻特性有peak存在。假設(shè)輸出50W的放大器從10Hz30KHz間頻率特性衰減在3dB 內(nèi)，則輸出功率在25W以上范圍可從 10Hz30KHz，此即放大器的功率頻帶寬度。功率頻帶寬度對(duì)放大器的超低音及超高音部分很重要。低頻部分特性由電源電容及輸出電容決定，高

17、級(jí)放大器使用大容量的電容就是這個(gè)原因。圖八 圖九 圖十一、 D 類放大器的架構(gòu)D 類放大器又可稱 數(shù)字式功率放大，基本架構(gòu)如圖2 所示，輸入訊號(hào)經(jīng)由脈波寬度調(diào)變器 (Pulse Width Modulation>將音頻信號(hào)調(diào)制成數(shù)字信號(hào)后，由功率晶體管 (Q1,Q2> 放大輸出，再經(jīng)由低通濾波器 (Lf,Cf> 取出原輸入端的音頻訊號(hào)送至喇叭輸出。圖 2 D 類放大器 基本架構(gòu)因?yàn)楣β示w管輸入為一數(shù)字信號(hào)，Q1,Q2 工作處于飽和與截止兩個(gè)狀態(tài)，因此 Q1,Q2 本身所消耗功率將非常小，提高整個(gè)放大器的效率，而使散熱裝置大幅減小進(jìn)而在組件的設(shè)計(jì)上可以大大縮小其體積。如圖3

18、所示 MP7720具有 20W 輸出的 D 類放大器的尺寸為4.8mm x 5.8mm x 0.135mm( 注四 >圖 3 MP7720元件圖二、 D 類放大器的功率分析功率放大器的輸出屬開關(guān)狀態(tài)，即輸出為一方波波形，由傅利葉級(jí)數(shù)分析知 :Vo (t>=(+>高次諧波經(jīng)由低通濾波器濾除后，輸出信號(hào)的最大值為，因此負(fù)載所能得到的最大功率PLm 為PLm=而電路的平均電流 Iav=，則電源輸入功率 PVs=cc* Iav=由 PLm 與 Ps 比值知， D 類放大效率達(dá)到三、脈波寬度調(diào)變器 (Pulse Width Modulation100%。PWM>PWM屬于數(shù)字元通

19、訊中調(diào)變模式的一種方式，也經(jīng)常被應(yīng)用在直流馬達(dá)的伺服控制、交換式電源供給器(switching power supply >等，其間的差異在于所使用振蕩器頻率的不同，基本架構(gòu)如圖是利用一三角波經(jīng)由比較器與輸入信號(hào)作比較而產(chǎn)生一方波輸出，而方波的輸出頻率與輸入三角波頻率相同，僅方波的工作4 所示，就周期隨著輸入信號(hào) ( 正弦波 >振幅大小而改變圖 4 PWM 基本架構(gòu)如圖5所示。圖 6所示為一簡(jiǎn)易型 PWM產(chǎn)生電路 ( 注五 >，由樞密特電路及積分電路所組成，振蕩器頻率由 R、C、及 R1 R2所決定 :f o =D 類放大器主要提供 2020Khz圖5PWM音輸頻出放波大形，因此 PWM 調(diào)制頻率必須使用大于 10 倍以上的頻率，頻率愈高 還原后的信號(hào)將 愈細(xì)膩、清晰 ，例如 MP7720 如表二所示均使用在 600Khz 以上。圖 6 PWM 產(chǎn)生器四、 MP7720 電路分析表二 MP7720增益、 調(diào)制頻率及電容的