D類功放的設計原理tie培訓資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。D類功放的設計原理tie-D類功放的設計原理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，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)在無論在技術上還是在價格上均已不成問

2、題。而且近年來數(shù)字音響技術的發(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。D類功放是放大元件處于開關工作狀態(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。這種耗電只與管于的特性有關，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。在理想情況下，D類功放的效率為100，B類功放的效率為785，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功能，早期僅用

3、于繼電器和電機等執(zhí)行元件的開關控制電路中。然而，開關功能(也就是產(chǎn)生數(shù)字信號的功能)隨著數(shù)字音頻技術研守的不斷深入，用于HiFi音頻放大的道路卻日益暢通。20世紀60年代，設計人員開始研究D類功放用于音頻的放大技術，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。其中關鍵的一步就是對音頻信號的調(diào)制。第一部分為調(diào)制器，最簡單的只需用一只運放構(gòu)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

4、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、直流偏置置三角波峰值的12，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；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：I。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形，稱為M(PulseModula60n脈寬調(diào)制)或M(N1seDuronModula60n脈沖持續(xù)時間調(diào)制)波形。音頻信息被調(diào)制到

5、脈沖波形中。第二部分就是D類功放，這是一個脈沖控制的大電流開關放大器，把比較器輸出的M信號變成高電壓、大電流的大功率M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。第三部分需把大功率M波形中的聲音信息還原出來。方法很簡單，只需要用一個低通濾波器。但由于此時電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低溫濾波器電阻會耗能，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類功放設計考慮的角度與朋類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太大意義，

6、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，飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結(jié)構(gòu)也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價格昂貴，在一定程度上阻礙了D類功放的發(fā)展?，F(xiàn)在小電流控制大電流的M03FE遼已普通運用于工業(yè)領域，特別是近年來UDICM03岡訂已在mFi功放上應用，器件的障礙已經(jīng)消除。調(diào)制電路也是D類功放的一個特殊環(huán)節(jié)。要把201dIz以下的音頻調(diào)制成Pq肋信號，三角被的頻率至少要達到加眺5h。頻率過低達到同樣要求的11扔標準，對無源比低通濾波器的元

7、件要求就高，結(jié)構(gòu)復雜。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加接近原波形，貝扔就小，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制成濾波器，造價相應降低。但此時晶體管的開關損耗會隨頻率上升而上升，無源器件中的高頻損耗、射頻的趨膚效應都會使整機效率下降。更高的調(diào)制頻率還會出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于1MHz。同時，三角波形的形狀、頻率的準確性和時鐘信號的抖晃都會影響到以后復原的信號與原信號不同而產(chǎn)生失真。所以要實現(xiàn)高保真，出現(xiàn)了很多與數(shù)字音響保真相同的考慮。還有一個與音質(zhì)有很大關系的因素就是位于驅(qū)動輸出與負載之間的無源濾波器。該低溫濾波器工作在大電流下，負載就是音箱。嚴格地講，設計時

8、應把音箱阻抗的變化一起考慮進去，但作為一個功放產(chǎn)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。實驗證明，當失真要求在05以下時，用二階BunerworLh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。上面授到的TPA以舊刃2有2wRIbl3功率輸出462負載，1HD十N已達05，是上一世紀70年代D類功放8一10的TI仍川所望塵莫及的。TDA7582提供的功率已高達23w，足夠任何便擄式音響產(chǎn)品使用。該機采用數(shù)字調(diào)制技術，直接把CD輸出的PC

9、M數(shù)字信號變成PWM碼。這是一種DSP運算，只要正確讀出原碼，就可無誤差地運算出新的PVM碼。TACT公司在這款數(shù)字功放中還采用了公司開發(fā)的等比特變換技術?？驁D中看不到模擬電路的傳統(tǒng)負反饋結(jié)構(gòu)，它是在DSP中把輸出脈沖的寬度進行再計算，然后去補償從抓rM變換到模擬輸出時出現(xiàn)的非線性失真。變換器也采用了CD的超取樣和噪聲整形技術。先把PCM信號通過八倍超取樣數(shù)字濾波器，然后把數(shù)據(jù)的16Nt字長截尾到8bit，以重建動態(tài)范圍。而從截去的最后8bit中產(chǎn)生一個校正信號，用以進行噪聲和失真的補償，最終把噪聲和失真推到可聽域以外的頻段。從PCM碼直接變換到PWM碼的一大好處是CD的數(shù)碼輸出不再需要進行D

10、A變換。無論從降低造價還是“簡單即好”的發(fā)燒理念來看都是有利的。DA變換器是影響數(shù)字音頻還原質(zhì)量的一大關鍵，而“黃金時代”的D類功放把CD解碼器的整個工序完全頂替，對整個還原系統(tǒng)的保真度十分有利?！包S金時代”功放只有數(shù)字音頻輸入口，不設模擬輸入，要求周邊設備定位檔次較高。對于數(shù)字音頻直接由轉(zhuǎn)盤供給信號，不考慮中低檔CD唱機輸入。若是U等模擬音源再后接一個數(shù)字音頻導向器或A仍轉(zhuǎn)換器等，則可避免系統(tǒng)中出現(xiàn)AD和DA變換等互補的多余環(huán)節(jié)。但直接數(shù)字輸入需要解決音量控制方法，PCM碼是滿幅度量化的，音量處于0dB位置。傳統(tǒng)放大器的音量控制是以改變輸入信號幅度來實現(xiàn)的。對于D類功放來說有以下兩點：第一，

11、必須把PCM碼經(jīng)財A變換成模擬量再加以衰減：第二，大信號輸入時用三角形波對其調(diào)制，調(diào)制的幅度能充分利用，信噪比最高，而小信號時調(diào)制幅度小，調(diào)制噪聲占有的比重上升，可用的動態(tài)范圍沒有充分利用，實際信噪比較低。當然也可把衰減網(wǎng)絡放到輸出的大電流電路中，但卻會白白消耗大量電能，D類功放的高效率全部喪失?！包S金時代”采用改變電源電壓的方法來控制音量。整機由開關電源供電，音量調(diào)節(jié)實際上是通過改變開關電源振蕩脈沖的占空比來改變輸出電壓。當電源電壓為滿幅度時，電源通過低通濾波器加到負載上的功率最大。若占空比下降到原來的1煌，電壓就降至原來的一半，負載上的功率就降至14。但對原信號的調(diào)制還是在滿信號輸入時進行

12、，所以音頻信號的動態(tài)、細節(jié)分辨率都得到充分利用。概述D類功放電路工作原理D類功放電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由PWM調(diào)制器、半橋開關器件的MOSFET、LC低通濾波器和揚聲器負載等組成。由圖1中可見，輸出端的PWM信號，再經(jīng)R1、CR構(gòu)成的積分器反饋后與基準信號進行比較，基準信號為輸入音頻信號的取樣信號，其頻率下限應是最高音頻信號頻率的兩倍以上，上限為500kHZ。輸出端LC組成的低通濾波器濾除輸出信號中的調(diào)制脈沖信號成分。D類功放的基本電路結(jié)構(gòu)電路設計時，如果取樣頻率選擇不當，會導致輸出波形的變化，動態(tài)范圍變窄，工作中當電感L出現(xiàn)磁飽和時，信號失真度將會驟然增大。1.補償型PWM調(diào)制方式此調(diào)制方

13、式為PWM常見的類型。為了充分抑制PWM方式輸出信號中的紋波，當取樣頻率較高，要求低通濾波器有足夠的帶外衰減量，其中的一種電路如圖2所示。該電路在PWM調(diào)制器中設置反饋環(huán)路，有效地抑制了輸出信號中的脈沖成分。輸出端采用小型變換器作為檢測器件，檢測出的輸出脈沖信號與音頻輸入信號進行比較后的誤差信號對電壓控制器起反饋調(diào)節(jié)作用，大大減少了殘留的0脈沖成分。圖2中的延時電路D對輸入輸出信號間的延遲進行補償；延時電路T對PWM調(diào)制和開關器件的延時進行補償。圖反饋環(huán)路式PWM調(diào)制方式電路框圖2.調(diào)制方式調(diào)制是1bit調(diào)制的經(jīng)典方式。這種方式的優(yōu)點在于取樣頻率非常高，量化脈沖分散在很寬的頻帶中，信號頻帶內(nèi)的

14、脈沖密度低。兩級量化脈沖發(fā)生電路框圖如圖3所示。圖PWM調(diào)制方式電路框圖量化脈沖發(fā)生器的組合可以降低噪聲。該電路使頻帶內(nèi)的殘余脈沖分布在很寬的頻帶里，在使用濾波器后，抑制噪聲能力大為提高。為了得到更好的動態(tài)特性，增加量化次數(shù)是行之有效的方法。圖4(a)是4次量化脈沖發(fā)生器LSI芯片的內(nèi)部電路框圖及應用電路。它的輸出失真特性曲線如圖4(b)所示。這種實用芯片對D類功放的開發(fā)和普及大有幫助。該芯片的型號為LM4663MT，采用24腳TSSOP封裝。圖次量化脈沖LSI芯片框圖及其失真特性曲線基于D類功放的寬范圍可調(diào)開關電源的設計摘要：結(jié)合PWM開關電源的原理對D類功放的工作原理進行了分析，提出了在D

15、類功放基礎上構(gòu)建PWM正負可調(diào)開關電源的方法，并在成品D類功放器件基礎上，成功地實現(xiàn)了經(jīng)濟實用的開關電源。關鍵詞：D類功放；PWM開關電源；反饋；穩(wěn)壓0引言很多電子設備的開發(fā)研制過程中，都需要各種各樣的實驗與測試用通用穩(wěn)壓電源。這一類電源要求有較寬的調(diào)節(jié)范圍、一定的輸出功率以及完善的保護功能。以往的實驗與測試用電源，為了實現(xiàn)輸出的寬范圍調(diào)節(jié)，大多使用基于模擬串、并聯(lián)電路的穩(wěn)壓方式，其效率低下已是人們的共識。PWM脈寬調(diào)制開關電源的出現(xiàn)，大大提高了電源的效率，可是，現(xiàn)在的PWM開關電源的運用，大多局限在成品電器設備的固定電壓的輸出模式，其電壓可調(diào)范圍十分有限，而開關電源在通用電源的寬范圍可調(diào)應用

16、上并不普遍，特別是在對稱的正負范圍輸出的可調(diào)應用上，即使有這樣的產(chǎn)品其價格也相對較高。作者結(jié)合PWM開關電源的原理對D類功放的工作原理進行了分析，認為利用D類功放可以在較為經(jīng)濟的條件下，方便地實現(xiàn)寬范圍可調(diào)的PWM開關電源。1D類功率放大器的工作原理如圖1所示，D類音頻功率放大器由兩部分構(gòu)成。第一部分是輸入比較和PWM信號形成電路，該電路中的三角波發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率和幅度的三角波信號作為脈寬調(diào)制的比較標準，通過比較器和輸入的音頻信號進行比較后輸出PWM信號，該信號的脈寬是隨著音頻信號幅度的變化而成正比例地變化。放大器中的三角波、音頻正弦信號產(chǎn)生的PWM波形及關系如圖2所示。第二部分是H橋脈寬功

17、率放大電路和輸出大功率濾波電路，如圖3所示。圖1D類功放原理框圖圖2放大器中的三角波、音頻正弦信號產(chǎn)生的PWM波形及其相互關系圖3大功率輸出部分（H橋和濾波電路）第一部分電路得到的PWM信號經(jīng)過整形放大，驅(qū)動H橋中與高壓大功率電源相連的的4只大功率CMOS開關管輪流導通，控制末級電源向負載提供的電流，從而獲得大功率的PWM信號，該信號再經(jīng)過負載前的LC濾波器，利用電感電容的充放電效應在負載上獲得大功率的音頻信號。D類功放中H橋輸出的穩(wěn)定程度，決定于給H橋供電電源的穩(wěn)定性，故在D類功放末級必須使用穩(wěn)壓電源。2在D類功率放大器原理基礎上實現(xiàn)PWM調(diào)制開關電源的設計思路從上面分析D類功率放大器的工作

18、原理可以得出下述幾點推理。1）當在音頻輸入端送入的信號是一個固定的直流電壓值時，將在功放的輸出端得到一個固定的電壓輸出值。與音頻功放的情況不同，是從不穩(wěn)定的大功率電源獲得穩(wěn)定的電壓輸出，即在H橋上連接的不是已經(jīng)穩(wěn)壓的電源，而是僅僅經(jīng)過簡單整流濾波的非穩(wěn)壓電源。在輸入信號足夠穩(wěn)定的情況下，輸出電壓的相對穩(wěn)定要依靠輸出和輸入之間構(gòu)建合適的反饋回路來實現(xiàn)。2）當在輸出端接上一個電位器調(diào)節(jié)放大器的輸入信號在一個正負范圍內(nèi)發(fā)生變化時，放大器的輸出也在給H橋供電的電源的正負幅值之間發(fā)生著變化，輸入的一個很小的變化就可以在輸出獲得較大的從負到正的電壓調(diào)整范圍，故實現(xiàn)寬范圍正負電壓輸出調(diào)節(jié)也是可能的。3）由于

19、電源設計是基于D類功放的，是工作在PWM的方式下，與PWM開關電源有相同的能量利用效率?；谏鲜鏊悸?，設計出電路的原理框圖如圖4所示。圖4D類功放開關電源框圖3在D類放大器的基礎上進行可調(diào)穩(wěn)壓電路的設計31PWM脈沖基本頻率的設定由于D類功放的PWM信號頻率基于三角波發(fā)生器的頻率，而且是為音頻信號服務的，所以，三角波和PWM頻率一般都設計得較高，為150500kHz，這使得開關電源的輸出電壓的紋波小，電源的紋波系數(shù)高。因此，這一部分仍然使用原來的三角波發(fā)生器的設計，可以不改動原來的核心電路，特別是在使用成品D類功放電路構(gòu)造開關電源時可以不改動原電路。如果不用成品D類功放電路構(gòu)造開關電源，可以使

20、用LM556等電路來構(gòu)造三角波發(fā)生器，具體電路及振蕩頻率的計算已有很多資料介紹，不再贅述。三角波的輸出應有足夠的幅度，一般選VPP=（35）V，以給比較電路足夠的信號強度。32電壓調(diào)整部分的設計電壓調(diào)整部分的設計就是要改造原來的D類功放的輸入端，即去掉原來的輸入耦合電容，把一個可調(diào)穩(wěn)壓電路（如圖5所示）的輸出連接到輸入端，代替原來的音頻信號，使原來的功放輸入信號Vin=（VWVf）可以隨著WR的調(diào)節(jié)在正負區(qū)間變化。圖5電壓調(diào)節(jié)與采樣穩(wěn)壓部分電路設計圖33穩(wěn)壓部分電路的設計作為一個開關電源，應具有足夠的電壓穩(wěn)定度，這就要有采樣電路在輸出端進行電壓采樣，并經(jīng)過反饋電路反相回送到輸入端，通過對輸入直

21、流電壓大小的控制完成電源的PWM脈寬調(diào)節(jié)，控制輸出電壓穩(wěn)定在WR調(diào)節(jié)設定的電壓值上，電壓采樣與反饋實驗電路設計如圖5所示。穩(wěn)壓工作原理可分析如下：在D類功放輸入端送入一個直流電壓，在輸出端得到一個濾波后的直流電壓，輸入端的正負變化將在輸出的正負相端得到對應的正負電壓輸出，從而在采樣電路的Ro上獲得一個電壓降VR，VR經(jīng)反相放大后再和參考電壓進行疊加，形成輸入端的調(diào)節(jié)電壓Vin，送入D類功放的輸入端。例如，當輸出電壓的絕對值增加，則有VRVfVin=VWVfPWM正或負相脈寬變窄輸出濾波后電壓Uout降低穩(wěn)壓。反之亦然。34輸出濾波電路部分的設計與改造D類功放的輸出通過H橋直連濾波電路，因此，在

22、一定條件下運用時可以省去開關變壓器，降低整個電路的成本。D類功放的輸出濾波器參數(shù)（濾波電感L、濾波電容C）的大小是按照音頻輸出要求選定的，故其輸出截止頻率f較高，一般在20kHz以上。但運用到電源電路上,輸出的是一個直流電壓信號，所以，截止頻率應該很低，故濾波電感L和濾波電容C都取得較大，這可以參照一般的PWM開關電源的參數(shù)，比如濾波電容的容量要達到1000F以上，以盡量地濾除交流信號。這一部分的電路如圖6所示。圖6輸出濾波部分電路結(jié)構(gòu)35基于D類功率放大器的開關電源整體電路設計根據(jù)上述分析與設計構(gòu)成的，基于D類功率放大器的開關電源整體電路設計如圖7所示，對應的輸入端的可調(diào)電壓信號、三角波及P

23、WM波形、輸出PWM電壓波形以及濾波輸出電壓波形的對應關系如圖8所示。圖7基于D類功率放大電路開關電源電路圖(a)三角波發(fā)生器輸出(b)Vin0、Vout0，PWM波形和負載上的電壓波形(c)Vin0、Vout0，PWM波形和負載上的電壓波形圖8輸入端的可調(diào)電壓信號、三角波及PWM波形、輸出PWM電壓波形、濾波輸出電壓波形的對應關系由此可見，通過對D類功放的開關電源的改造構(gòu)成了一個實用的PWM開關電源。4D類功率集成電路在實用寬范圍可調(diào)PWM開關電源的運用實踐與分析當前的D類功率放大器集成電路（包括前端控制電路和后級H橋）種類繁多，功能完善，放大器內(nèi)部已具有完善的誤差反饋放大電路、保護電路、三

24、角波發(fā)生器和比較器等。為開發(fā)經(jīng)濟實用、功能完善的通用開關電源提供了極大的方便。圖9就是在利用美國國家半導體公司新推出的LM4651和LM4652設計的D類超低音功率放大器電路基礎上，改造成的一款通用開關電源的實驗電路（其中的括號內(nèi)的元件參數(shù)是按電源運用而使用的）。圖9用LM4651LM4652D類功放模塊構(gòu)建的實驗PWM開關電源LM4651是PWM控制/驅(qū)動器IC，內(nèi)置振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、反饋放大器、電平移位與高端驅(qū)動器、低端驅(qū)動器及欠壓、過熱、短路和過調(diào)制保護電路。LM4652是采用15腳（其中腳6、8、9、11、12未連接）TO220封裝的半橋功率MOSFETIC，4只MOSFET的擊穿電壓V(BR)DSS=5