畢業(yè)設(shè)計(jì)--d類音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　D類音頻功率放大器的設(shè)計(jì) </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字功率放大器代表著音響技術(shù)數(shù)字化的新臺(tái)階具有模擬功率放大器不可比擬的優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)以高效率D類功率放大器為核心，輸出開(kāi)關(guān)管采用高速VMOSFET管，連接成互補(bǔ)對(duì)稱H橋式結(jié)構(gòu)，最大不失真輸出功率大于1W，平均效率可達(dá)到70％左右。D類放大器包括脈寬調(diào)

2、制器和輸出級(jí)。</p><p>　　本文首先介紹了聲音的基本特性、音響放大器的技術(shù)指標(biāo)、放大器分類和D類放大器的工作原理，接著進(jìn)行了D類功放的仿真分析，包括PWM波的形成、頻譜分析等等；然后設(shè)計(jì)了基于MAXIM公司的10W立體聲/15W單聲道集成芯片MAX9703/MAX9704的D類放大器，并對(duì)D類功放的發(fā)展與技術(shù)展望進(jìn)行了描述。</p><p>　　在本文里，對(duì)放大器的各個(gè)模塊包括放大

3、電路、比較器電路、三角波產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，且達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的指標(biāo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞: D類放大器 脈寬調(diào)制 高速開(kāi)關(guān)電路 低通濾波</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 引 言……………………………………………………………………………… 4</p><p>

4、;　　2 音響的基礎(chǔ)知識(shí)4</p><p>　　2.1 聲音的基本特性6</p><p>　　2.2 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù)6</p><p>　　2.3 放大器的技術(shù)指標(biāo)6</p><p>　　3 放大器的簡(jiǎn)介7</p><p>　　4 D類功放的原理及仿真9</p><p>　　4.1

5、 D類功放的工作原理9</p><p>　　4.2 D類功放的EDA仿真11</p><p>　　4.2.1 EDA仿真概述11</p><p>　　4.2.2 D放大器原理仿真概述12</p><p>　　4.2.3 輸入信號(hào)抽樣――PWM波的形成仿真13</p><p>　　4.2.4 輸出信號(hào)PWM波的

6、頻譜仿真分析13</p><p>　　4.3 D類功放的優(yōu)點(diǎn)14</p><p>　　5 D類功放的硬件設(shè)計(jì)15</p><p>　　5.1 D類功放的設(shè)計(jì)原理15</p><p>　　5.2 D類功放電路分析與計(jì)算18</p><p>　　5.2.1脈寬調(diào)制器（PWM）18</p><

7、p>　　5.2.2 前置放大器20</p><p>　　5.2.3 驅(qū)動(dòng)電路21</p><p>　　5.2.4 高速開(kāi)關(guān)電路21</p><p>　　5.2.5 低通濾波26</p><p>　　6 MAX9703/MAX9704單聲道/立體聲D類音頻功率放大器30</p><p><b>

8、;　　6.1 概述30</b></p><p>　　6.2 MAX9703/MAX9704詳細(xì)說(shuō)明30</p><p>　　6.2.1 工作效率30</p><p>　　6.2.2 應(yīng)用信息31</p><p>　　7 D類功放的發(fā)展與技術(shù)展望33</p><p>　　7.1 D類功放的不足33

9、</p><p>　　7.2 D類功放的最新發(fā)展——T類功率放大器33</p><p><b>　　結(jié)論34</b></p><p><b>　　致謝35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>

10、;　　1 引 言</b></p><p>　　當(dāng)今音響數(shù)字化技術(shù)以大部分應(yīng)用在音響設(shè)備中。如作為音源的CD、DAT、MD、DVD等，數(shù)字調(diào)音臺(tái)以及數(shù)字效果器、壓限器、激勵(lì)器等周邊設(shè)備也被一些專業(yè)場(chǎng)所使用。而音響系統(tǒng)最后環(huán)節(jié)的功率放大器和揚(yáng)聲器卻仍然徘徊在數(shù)字化的大門(mén)外。人們永無(wú)止境的追求音響重放高保真度，而模擬功率放大器經(jīng)過(guò)了幾十年發(fā)展以很難有新的突破，隨著生活水平的提高，人們逐漸關(guān)注環(huán)保與能量的利

11、用率的問(wèn)題，因此，人們?cè)僖淮伟涯抗馔断驍?shù)字功放。</p><p>　　早在20世紀(jì)60年代末期其實(shí)就有人研究數(shù)字放大器，為什么音響發(fā)展了數(shù)十年，一直沒(méi)有其產(chǎn)品面世？究其原因，是在數(shù)字音頻放大器的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中，最大的難題就是高速轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。因?yàn)槠湫枰獦O高的精確度，但在如何解決脈沖調(diào)制放大在工作時(shí)提供持續(xù)穩(wěn)定的線性響應(yīng)，以及如何避免產(chǎn)生輻射脈沖干擾等方面難以取得突破，故使脈沖調(diào)制型放大器在音響應(yīng)用領(lǐng)域一直停滯不

12、前。如今，隨著脈沖調(diào)制放大電路的技術(shù)瓶頸被逐漸解決，數(shù)字放大器的優(yōu)點(diǎn)日漸突顯，推陳出新，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注它了。</p><p>　　對(duì)功率放大器的普遍要求是低失真，大功率，高效率。模擬功率放大器通過(guò)采用優(yōu)質(zhì)元件，復(fù)雜的補(bǔ)償電路，深負(fù)反饋，使失真變得很小，但大功率和高效率難以解決。但工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的D類功率放大器卻很容易實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　傳統(tǒng)的音頻功放工作時(shí)，直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大

13、，工作期間必須工作于線性放大區(qū)，功率耗散較大，雖然采用推挽輸出，減小了功率器件的承受功率，但面對(duì)較大功率，對(duì)功率器件構(gòu)成極大威脅。功率輸出受到限制。此外，模擬功率放大器還存在以下的缺點(diǎn):</p><p>　　1.電路復(fù)雜，成本高。常常需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的補(bǔ)償電路和過(guò)流，過(guò)壓，過(guò)熱等保護(hù)電路，體積較大，電路復(fù)雜。</p><p>　　2.效率低，輸出功率不是很大。</p><p

14、>　　D類開(kāi)關(guān)音頻功率放大器的工作基于PWM模式:將音頻信號(hào)與采樣頻率比較，經(jīng)自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號(hào)幅度成正比例變化的PWM波，然后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，加到功率MOS的柵極，控制功率器件的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)放大，將放大的PWM送入濾波器，則還原為音頻信號(hào)。</p><p>　　D類功率放大器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，理論效率可達(dá)100%，實(shí)際的運(yùn)用也可達(dá)80%以上。功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱器的尺

15、寸，連續(xù)輸出功率很容易達(dá)到數(shù)百瓦。功率MOS有自保護(hù)電路，可以大大簡(jiǎn)化保護(hù)電路，而且不會(huì)引入非線性失真。</p><p>　　對(duì)于高電感的揚(yáng)聲器，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，是可以省去低通濾波器〔LPF)，這樣可以大大的節(jié)省體積和花費(fèi)。而且有更高的保真度，這一點(diǎn)，在國(guó)外的SVD類功率放大器中已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用，如:TEXAS公司的TPA2002D2。</p><p>　　近年來(lái)，國(guó)外的公司對(duì)D類功率放大器進(jìn)行

16、了研究和開(kāi)發(fā)，提出了一些方案，但是尚存在了較大的難度，由于采用PWM方式，為了提高音質(zhì)，降低失真，必須提高調(diào)制頻率，但是在較高頻率下，會(huì)產(chǎn)生一定的問(wèn)題，同時(shí)，D類功率放大器對(duì)器件的要求較高，不利于降低成本。</p><p><b>　　2 音響的基礎(chǔ)知識(shí)</b></p><p>　　2.1 聲音的基本特性</p><p>　　響度: 人主觀上感

17、覺(jué)聲音的大?。ㄋ追Q音量），由“振幅”和人離聲源的距離決定，振幅越大響度越大，人和聲源的距離越小，響度越大。</p><p>　　音調(diào):是人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀感覺(jué)，聲調(diào)的高低與聲音的物理量“頻率”對(duì)應(yīng)人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍:20hz～20KHz稱之為可聽(tīng)聲，低于20Hz稱為次聲，高于20KHz稱為超聲，人耳對(duì)3K～4K的聲音最敏感。</p><p>　　音色:聲音的特性又叫音品或音質(zhì)，它是由聲音

18、的波形決定的，電子管功放的偶次諧波多，奇次諧波少，聲音柔美，甜潤(rùn)，晶體管功放奇次諧波多，聲音冷艷，清麗。</p><p>　　2.2音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù)</p><p>　　前置放大器和功率放大器，以前置放大器承擔(dān)控制任務(wù)為主，對(duì)各種節(jié)目源信號(hào)進(jìn)行選擇和處理，對(duì)微弱信號(hào)放大到0.5-1V，進(jìn)行各種音質(zhì)控制，美化音色。功率放大器，承擔(dān)放大任務(wù)，是將前置放大器輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，以推動(dòng)揚(yáng)聲

19、器發(fā)聲。將電壓放大，電流放大，要求是宏亮而不失真。</p><p>　　2.3 放大器的技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　1.額定功率:</b></p><p>　　音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值(r<1%)的最大功率稱為額定功率，表達(dá)式；P= U/R, U為負(fù)載兩端的最大不失真電壓，R為額定負(fù)載阻抗。</p><

20、;p><b>　　2.頻率響應(yīng)</b></p><p>　　放大器的電壓增益相對(duì)于中音頻f (1KHz)的電壓增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的低音音頻f和高音音頻f稱為放大器的頻率響應(yīng)。</p><p><b>　　3.輸入靈敏度</b></p><p>　　使音響放大器輸出額定功率時(shí)所需的輸入電壓(有效值)稱為靈敏度。&l

21、t;/p><p><b>　　4.噪聲電壓</b></p><p>　　使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載凡上的電壓稱為噪聲電壓U。</p><p><b>　　3 放大器的簡(jiǎn)介</b></p><p>　　功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類。即A類、AB類、B類、C類、D類。在音頻功放領(lǐng)域中，前四類均可直接采用

22、模擬音頻信號(hào)直接輸入，放大后將此信號(hào)用以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。D類放大器比較特殊，它只有兩種狀態(tài)，不是通就是斷。因此，它不能直接輸入模擬音頻信號(hào)，而是需要某種變換后再放大。</p><p>　　1.A類(甲類)放大器 </p><p>　　A類(甲類)放大器，是指電流連續(xù)地流過(guò)所有輸出器件的一種放大器。這種放大器，由于避免了器件開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動(dòng)態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來(lái)看，

23、可認(rèn)為它是一種良好的線性放大器。 </p><p>　　A類放大器在結(jié)構(gòu)上，還有兩類不同的工作方式。其中一類是將兩個(gè)射極跟隨器相聯(lián)工作，其偏置電流要增加到在正常負(fù)載下有足夠的電流流過(guò)，而不使任一器件截止。這一措施的最大優(yōu)點(diǎn)是它不會(huì)突然地耗盡輸出電流，如果負(fù)載阻抗低于標(biāo)定值，放大器會(huì)短期出現(xiàn)截止現(xiàn)象，在失真上可能略有增加，但不致出現(xiàn)直感上的嚴(yán)重缺陷。另一類可稱作為控制電流源型(VCIS)，它本質(zhì)上是一個(gè)單獨(dú)的射極跟

24、隨器，并帶有一個(gè)有源發(fā)射極負(fù)載，以達(dá)到合適的電流泄放。這一類作為輸出級(jí)時(shí)，需要在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前就把所要驅(qū)動(dòng)的阻抗是多低搞清楚。</p><p>　　2.B類(乙類)放大器 </p><p>　　B類(乙類)放大器，是指器件導(dǎo)通時(shí)間為50％的一種工作類別。這類放大器可以說(shuō)是最為流行的一種放大器，也許目前所生產(chǎn)的放大器有99％是屬于這一類。由于大家比較熟悉，這里不作詳細(xì)介紹。 </p>

25、;<p>　　3.AB類[甲乙類)放大器 </p><p>　　AB類(甲乙類)放大器，實(shí)際上是A類(甲類)和B類(乙類)的結(jié)合，每個(gè)器件的導(dǎo)通時(shí)間在50—100％之間，依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類放大器的偏置按B類(乙類)設(shè)計(jì)，然后增加偏置電流，使放大器進(jìn)入AB類(甲乙類)。 </p><p>　　AB類(甲乙類)放大器在輸出低于某一電平時(shí)，兩個(gè)輸出器件皆導(dǎo)通，其狀

26、態(tài)工作于A類(甲類)；當(dāng)電平增高時(shí)，兩個(gè)器件將完全截止，而另一個(gè)器件將供給更多的電流。這樣在AB類(甲乙類)狀態(tài)開(kāi)始時(shí)，失真將會(huì)突然上升，其線性劣于A類(甲類)或B類(乙類)。不過(guò)筆者認(rèn)為，它的正當(dāng)使用在于它對(duì)A類(甲類)的補(bǔ)充，且當(dāng)面向低負(fù)載阻抗時(shí)可繼續(xù)較好地工作。 </p><p>　　4.C類(丙類)放大器 </p><p>　　C類(丙類)放大器，是指器件導(dǎo)通時(shí)間小于50％的工作類

27、別。這類放大器，一般用于射頻放大，很難找到用于音頻放大的實(shí)例。 </p><p><b>　　5. D類放大器</b></p><p>　　D類放大器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)信號(hào)時(shí)無(wú)電流，而導(dǎo)電時(shí)，沒(méi)有直流損耗。事實(shí)上由于關(guān)斷時(shí)器件尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時(shí)，器件并未完全短路，尚有一定管壓降，故存在較少直流損耗，效率不能達(dá)100%，實(shí)際在80-90%,是實(shí)用放大器中效率最高

28、的。正是由于D類放大器的效率高，100瓦輸出的設(shè)備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個(gè)平方厘米，電路板可作的很小，大大減少了體積重量。并且由于工作比音頻高10余倍的脈沖狀態(tài)，電源整流紋波對(duì)電路工作影響很小。</p><p>　　D類放大器與線性音頻放大器（如A類、B類和AB類）相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。對(duì)于線性放大器（如AB類）來(lái)說(shuō)，偏置原件和輸出晶體管的線性工作方式會(huì)損耗大量功率。因?yàn)镈類放大器的晶體管只是作為

29、開(kāi)關(guān)使用的，用來(lái)控制流過(guò)負(fù)載的電流方向，所以輸出級(jí)的功耗極低。D類放大器的功耗主要來(lái)自輸出晶體管導(dǎo)通阻抗、開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)電流開(kāi)銷。放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類放大器對(duì)散熱器的要求大為降低，甚至可以省去散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應(yīng)用。</p><p>　　近年來(lái)，人們的在許多應(yīng)用領(lǐng)域廣泛關(guān)注D類放大器。主要有兩個(gè)因素。首先，是市場(chǎng)需要。D類放大器的某些優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)了手機(jī)和LCD平板顯示器這兩個(gè)終端設(shè)備

30、市場(chǎng)的迅速發(fā)展。對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，揚(yáng)聲器和PTT (Push-to-Talk，一鍵通)模式需要D類放大器的高效率，以延長(zhǎng)電池壽命。LCD平板顯示器的發(fā)展對(duì)電子器件提出了“低溫運(yùn)行(cool running)”的需求，這是由于工作溫度的升高將影響顯示顏色對(duì)比度。而D類放大器的高效率意味著驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備時(shí)功耗更低，使LCD平板顯示器工作時(shí)發(fā)熱更少，圖像顯示效果更好。其次，是自身技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)市場(chǎng)需要，一些制造商改進(jìn)了D類放大技術(shù)，使D類放大器具

31、有更理想價(jià)格的同時(shí)，也具備了與AB類放大器相近的音頻性能。此外，一些新型的D類放大器輸出調(diào)制方案還可以降低實(shí)際應(yīng)用的EMI。 </p><p>　　4 D類功放的原理及仿真</p><p>　　4.1 D類功放的工作原理</p><p>　　D類功率放大器的原理，首先將脈沖編碼調(diào)制（PCM，Pulse Code Modulation）音頻數(shù)據(jù)流通過(guò)專門(mén)的等比特?cái)?shù)字處

32、理器EquibitDSP變換為脈寬調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）的數(shù)據(jù)流。采用脈寬調(diào)制后，音頻信號(hào)便成為一系列的用“0”和“1”表示的寬度可變的脈沖串，脈沖的寬度越寬，信號(hào)的幅度就越大。將這些脈寬調(diào)制的數(shù)據(jù)流去推功率放大器的常規(guī)晶體輸出管。由于受到脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)流的作用，晶體輸出管將迅速地時(shí)而飽和導(dǎo)通工作，時(shí)而截止不工作。晶體管導(dǎo)通工作時(shí)間越長(zhǎng)，信號(hào)幅度便越大，于是晶體輸出管為揚(yáng)聲器提供的電流也時(shí)而因管子導(dǎo)通

33、而有電流流過(guò)，時(shí)而因管子截止而沒(méi)有電流流過(guò)，音頻信息便包含在這些接通、斷開(kāi)的周期過(guò)程中。脈沖串在由晶體管放大后，便由LC低通濾波器進(jìn)行平滑處理，從而恢復(fù)為原有的音樂(lè)波形。</p><p>　　D類放大器的電路工作方式為開(kāi)關(guān)狀態(tài)，作為放大音頻正弦信號(hào)，還需模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將音頻模擬信號(hào)先變?yōu)槊}沖方波，從而進(jìn)行放大。其原理方塊圖如圖4-1,波形圖如圖4-2。</p><p>　　圖4-1 D

34、類放大器的原理方塊圖</p><p>　　圖4-2將正弦波變?yōu)槊}沖波的脈寬調(diào)制電路</p><p>　　從圖4-1的結(jié)構(gòu)可知，兩個(gè)放大器反相連接，實(shí)際上構(gòu)成推挽狀態(tài)，起到開(kāi)關(guān)作用去控制與電源串聯(lián)的負(fù)載回路(RL)，低通濾波器LPF可以濾去脈沖波的高頻部分，得到基波成分，所以實(shí)際上成為數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換電路，重新將脈沖波還原成為正弦波。從電路看，當(dāng)兩支形狀短路阻抗為0，開(kāi)路阻抗為無(wú)窮大時(shí)，

35、電路效率100%。因?yàn)閾P(yáng)聲器是感性負(fù)載，對(duì)于高電感的揚(yáng)聲器如中頻揚(yáng)聲器，D類功放可以不用低通濾波器，直接與揚(yáng)聲器相聯(lián)。</p><p>　　圖4-2表示如何將正弦波變?yōu)槊}沖波，讓脈沖波的寬度受正弦波幅度調(diào)制，稱為PWM信號(hào)，即“脈寬調(diào)制”信號(hào)。這里沒(méi)有應(yīng)用一般概念的A/D變換電路，而是用一個(gè)幅度與放大的正弦信號(hào)近似的三角波，共同作為變換器輸入，相當(dāng)于反相比較器。當(dāng)三角波幅度大于正弦波幅部分，變換電路輸出"

36、;1"；而三角波幅小于正弦波幅處，變換電路均輸出"0"；這樣即將輸入的正弦信號(hào)變?yōu)閷挾入S正弦信號(hào)波幅變化的PWM波。</p><p>　　D類功放使用的開(kāi)關(guān)管采用功率型MOSFET，即大功率場(chǎng)效應(yīng)管，并為保證足夠的激勵(lì)電壓而設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路，使FET能充分的開(kāi)啟和關(guān)斷。</p><p>　　圖4-3是PWM波的頻譜，當(dāng)放大單一頻率正弦時(shí)，其頻譜中除低頻段存在與輸入

37、信號(hào)同頻率的基波成分外，還存在各次諧波的頻譜。因此用LPF低通濾波器就可以濾去高頻諧波而得到正弦基波成分，因此，可使數(shù)模轉(zhuǎn)換電路非常簡(jiǎn)化。</p><p>　　圖4-3 PWM波的頻譜</p><p>　　4.2 D類功放的EDA仿真</p><p>　　4.2.1 EDA仿真概述</p><p>　　EDA（Electronic Des

38、ign Automation ）是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成功的電子CAD通用軟件包。主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作，既IC設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段的發(fā)展。從70年代的（CAD）階段和80年代的（CAE）階段，到90年代的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）階段。EDA技術(shù)代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向。它不僅為電子技術(shù)設(shè)計(jì)人員提供了“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念

39、，同時(shí)也為教學(xué)提供了一個(gè)極為便捷的、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。電工電子類專業(yè)課程中的電工基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)都可以通過(guò)EDA仿真軟件，進(jìn)行電路圖的繪制、設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)和分析。</p><p>　　本課題研究時(shí)采用簡(jiǎn)單易用的EWB軟件，其操作簡(jiǎn)單、直觀，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求低，特別適合初學(xué)者和在校的學(xué)生使用。</p><p>　　圖4－4給出了電路建模EDA仿真分析時(shí)一般的步驟根據(jù)流程圖的步

40、驟，重點(diǎn)應(yīng)該做好課題建模、儀器的連接、運(yùn)行仿真試驗(yàn)、分析結(jié)果等工作。建模過(guò)程中，各級(jí)電路的元器件參數(shù)選擇必須 準(zhǔn)確，應(yīng)防止節(jié)點(diǎn)的虛脫和注意地端的連接。測(cè)試儀器的使用，應(yīng)注意相關(guān)的對(duì)話框設(shè)置，做到各項(xiàng)選擇符合其電路要求。運(yùn)行仿真試驗(yàn)的目的就是得出分析數(shù)據(jù)、電路波形特性及各種相關(guān)參數(shù)。</p><p>　　圖4－4 EDA仿真分析流程圖</p><p>　　4.2.2 D放大器原理仿

41、真概述</p><p>　　根據(jù)上面的研究，D類音頻功率放大器主要有三角波發(fā)生器、電壓比較器、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路和低通濾波器構(gòu)成，現(xiàn)將仿真電路設(shè)計(jì)如下。</p><p>　　圖4－5 D類放大器的仿真電路</p><p>　　其中輸入信號(hào)為1KHz的正弦波，抽樣信號(hào)為200KHz由的三角波，由EWB中的信號(hào)發(fā)生器提供，幅度為2V，占空比為50％；電壓比較器采用EWB中

42、的理想運(yùn)算放大器，輸出的極值為－5V～＋5V；場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路采用理想場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)放大電路；低通濾波器為L(zhǎng)C二階濾波器。</p><p>　　4.2.3 輸入信號(hào)抽樣――PWM波的形成仿真</p><p>　　圖4－6 PWM波的形成仿真</p><p>　　4.2.4 輸出信號(hào)PWM波的頻譜仿真分析</p><p>　　圖4－7 傅里

43、葉分析的設(shè)置</p><p>　　4.3 D類功放的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級(jí)包含提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的晶體管。實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型包括A類放大器，AB類放大器和B類放大器。與D類放大器設(shè)計(jì)相比較，即使是最有效的線性輸出級(jí)，它們的輸出級(jí)功耗也很大。這種差別使得D類放大器在許多應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈凸漠a(chǎn)生熱量較少，節(jié)省印制電路板(PCB)面積和

44、成本，并且能夠延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。 </p><p>　　和模擬功率放大器相比較，D類功率放大器有以下明顯優(yōu)勢(shì)： </p><p>　?。?）能量轉(zhuǎn)換效率極高，體積小，可靠性高。耗電量?jī)H為同功率等級(jí)模擬放大器的三分之一。其電源使用效率高達(dá)90%以上，節(jié)約能源，也符合環(huán)保要求。而B(niǎo)類放大器效率僅為78%（理論值），A類功放的效率就更低。由于D類功放極高的效率，半導(dǎo)體器件的溫升明顯減小，

45、失真率也就顯著減小。</p><p>　?。?）無(wú)過(guò)零失真。傳統(tǒng)功放一般都存在由于對(duì)管配對(duì)及各級(jí)調(diào)整不佳產(chǎn)生的過(guò)零，交越失真。 </p><p>　?。?）瞬態(tài)響應(yīng)好，即“動(dòng)態(tài)特性”好。由于它不需傳統(tǒng)功放的靜態(tài)電流消耗，所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲(chǔ)備，加之無(wú)模擬放大、無(wú)負(fù)反饋的牽制，故具有更好的“動(dòng)力”特征。 </p><p>　?。?）高、中、低頻無(wú)相對(duì)相移，聲

46、音清晰透明，聲像定位準(zhǔn)確。由于采用無(wú)負(fù)反饋的放大電路、數(shù)字濾波器等處理技術(shù)，可以將輸出濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)得較高，從而保證在20Hz~20kHz內(nèi)得到平坦的幅頻特性和很好的相頻特性。 </p><p>　　（5）直接接收CD、DVD等數(shù)字音源輸出的同軸或光纖數(shù)字音頻信號(hào)，直接以數(shù)字信號(hào)進(jìn)行放大，體現(xiàn)了與數(shù)字音源的完美結(jié)合。 </p><p>　?。?）適合于大批量生產(chǎn)。產(chǎn)品的一致性好，生

47、產(chǎn)中無(wú)需調(diào)試，只要保證元器件正確安裝即可。5 D類功放的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 D類功放的設(shè)計(jì)原理</p><p>　　在音響領(lǐng)域里人們一直堅(jiān)守著A類功放的陣地。認(rèn)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(wú)法克服的先天頑跌。B類功放雖然效率提高很多，但實(shí)際效率僅為50％左右，在小型使撓式音響設(shè)備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大

48、功率功放場(chǎng)合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，效率極高的D類功放，因其符合綠色華命的潮流正受著各方面的重視。</p><p>　　由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，原來(lái)用分立幾件制作的很復(fù)雜的調(diào)制電路，現(xiàn)在無(wú)論在技術(shù)上還是在價(jià)格上均已不成問(wèn)題。而且近年來(lái)數(shù)字音響技術(shù)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(jìn)一步顯示出D類功放的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　D類功放是放大力件處于開(kāi)關(guān)工作狀

49、態(tài)的一種放大模式。無(wú)倍號(hào)輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開(kāi)關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通*理想晶體管因?yàn)闆](méi)有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會(huì)有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號(hào)輸出的大小無(wú)關(guān)，所以特別有利于超大功率的場(chǎng)合。在理想情況下，D類功放的效率為100％，B類功放的效率為78．5％，A類功放的效率才50％或25％(按負(fù)載方式而定)。<

50、/p><p>　　D類功放實(shí)際上只具有開(kāi)關(guān)功能，早期僅用于繼電器和電機(jī)等執(zhí)行元件的開(kāi)關(guān)控制電路中。然而，開(kāi)關(guān)功能(也就是產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的功能)隨著數(shù)字音頻技術(shù)研率的不斷深入，用于Hi—F1音頻放大的道路卻口益暢通。20世紀(jì)60年代，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始研究D類功放用于音頻的放大技術(shù)，70年代Bose公司就外始生產(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(wú)法放入有大散熱板結(jié)構(gòu)的功故，兩者都希望有D類這樣

51、高效的放大器來(lái)放大音頻信號(hào)。共今關(guān)鍵的一步就是村音頻信號(hào)的調(diào)制。</p><p>　　圖5-1是D類功放的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個(gè)部分：</p><p>　　圖5-1 D類功放的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　第一部分為調(diào)制器，最簡(jiǎn)單的只需用一只運(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號(hào)加上一定直流偏置后故在運(yùn)放的正輸入端，另通過(guò)自激振蕩生成一個(gè)三角形波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)

52、正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時(shí)，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號(hào)為零、直流偏置置三角波峰值的1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時(shí)間一樣，輸出就是一個(gè)占空比為1﹕1的方波。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí)，正半周期間，比較器輸出高電平的時(shí)間比低電乎長(zhǎng)，方波的占空比大于1：1，負(fù)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(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí)間卻大為減少，方被占空比小于1：1。這樣，比較器輸出的波形

53、就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)幅度調(diào)制后的波形，稱為PWM(Pulse Width Modulation脈寬調(diào)制)或PDM(Pulse Duration Modulation 脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)制)波形。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。</p><p>　　第二部分就是D類功故，這是一個(gè)脈沖控制的大電流開(kāi)關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率PWM信號(hào)。能夠輸出的最大功率由負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流過(guò)

54、的電流來(lái)決定。</p><p>　　第三部分需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來(lái)。方法很簡(jiǎn)單，只需要用一個(gè)低通濾波器。但由于此時(shí)電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)耗能，不能采用，必須使用Lc低通濾波器。當(dāng)占空比大于1：1的脈沖到來(lái)時(shí)，C的充電時(shí)間大子放電時(shí)間，輸出電平上升；窄脈沖到來(lái)時(shí)，放電時(shí)間長(zhǎng)，輸出電平下降，正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相—致，所以原音頻傳號(hào)被恢復(fù)出來(lái)，見(jiàn)圖5-2。</p>

55、<p>　　圖5-2 模擬D類功放工作原理</p><p>　　D類功放設(shè)計(jì)考慮的角度與AB類功放完全不同。此時(shí)功放管的線性已沒(méi)有太大意義，更重要的是開(kāi)關(guān)響應(yīng)和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號(hào)的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開(kāi)關(guān)響應(yīng)要好。另外，整機(jī)的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所隊(duì)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(jiǎn)化。若干年前，這種高頻大功率管的價(jià)格昂貴

56、，在一定程度上限制了D類功放的發(fā)展?，F(xiàn)在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是近年來(lái)UHC MOSFET已在Hi-Fi功放上應(yīng)用，器件的障礙已經(jīng)消除。</p><p>　　調(diào)制電路也是D類功放的一個(gè)特殊環(huán)節(jié)。要把20KHz以下的音頻調(diào)制成PWM信號(hào)，三角波的頻率至少要達(dá)到200KHz。頻率過(guò)低達(dá)到同樣要求的THD標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)無(wú)源LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加

57、接近原波形，THD就小，而且可以用低數(shù)值、小體積和精度要求相對(duì)差一些的電感和電容來(lái)制成濾波器，造價(jià)相應(yīng)降低。但此時(shí)晶體管的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨頻率上升而上升，無(wú)源器件小的高頻損耗、射頻的趨膚效應(yīng)都會(huì)使整機(jī)效率下降。更高的調(diào)制頻率還會(huì)出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于1MHZ。</p><p>　　同時(shí)，三角波形的形狀、頻率的準(zhǔn)確性和時(shí)鐘信號(hào)的抖晃都會(huì)影響到以后復(fù)原的信號(hào)與原信號(hào)不同而產(chǎn)生失真。所以要實(shí)現(xiàn)高保真，出現(xiàn)了很

58、多與數(shù)字音響保真相同的考慮。</p><p>　　還有一個(gè)與音質(zhì)有很大關(guān)系的因素就是位于驅(qū)動(dòng)輸出與負(fù)載之間的無(wú)源濾波器。該低通濾被器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。嚴(yán)格地講，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)去，但作為一個(gè)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小更有發(fā)燒友馳騁的天地。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)失真要求在0.5％以下時(shí)，用二階Butterworth最平坦響應(yīng)低通濾波器就能達(dá)到要求。如要求更高則需用四階

59、濾波器，這時(shí)成本和匹配等問(wèn)題都必須加以考慮。</p><p>　　5.2D類功放電路分析與計(jì)算</p><p>　　5.2.1脈寬調(diào)制器（PWM）</p><p>　　1． 方案論證與比較</p><p>　　方案一：可選用專用的脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題發(fā)揮部分的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　方案

60、二：采用圖5-12所示方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。三角波產(chǎn)生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分的功能清晰，實(shí)現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。 若合理的選擇器件參數(shù)，可使其能在較低的電壓下工作，故選用此方案。</p><p>　　圖5-12 脈寬調(diào)制器</p><p>　　2． 三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　該電路我們采用滿幅運(yùn)放TLC4502及高速精密電壓比較器LM311來(lái)實(shí)現(xiàn)(電路如

61、圖5-13所示)。 TLC4502不僅具有較寬的頻帶，而且可以在較低的電壓下滿幅輸出，既保證能產(chǎn)生線性良好的三角波，而且可達(dá)到發(fā)揮部分對(duì)功放在低電壓下正常工作的要求。</p><p>　　圖5-13三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實(shí)現(xiàn)，選擇150KHz的載波，使用四階Butterworth LC濾波器，輸出端對(duì)載頻的衰減大于60dB，能滿足

62、題目的要求，所以我們選用載波頻率為150 kHz。</p><p>　　電路參數(shù)的計(jì)算：在5v單電源供電下，我們將運(yùn)放5腳和比較器3腳的電位用R8調(diào)整為2.5v，同時(shí)設(shè)定輸出的對(duì)稱三角波幅度為1v(Vp_p＝2V)。若選定R10為100 kΩ，并忽略比較器高電平時(shí)R11上的壓降，則R9的求解過(guò)程如下：</p><p>　　(5-2.5)/100=1/R9, R9=100/2.5=40KΩ&

63、lt;/p><p><b>　　取R9為39kΩ。</b></p><p>　　選定工作頻率為f=150kh，并選R7+R6=20kΩ，則電容C3的計(jì)算過(guò)程如下：對(duì)電容的恒流充電或放電電流為</p><p>　　I=(5-2.5)/R7+R6=2.5/(R7+R6)</p><p>　　則電容兩端最大電壓值為</p&g

64、t;<p>　　其中T為半周期，T=T/2=1/2f。V的最大值為2V，則</p><p>　　2=2.5/C4(R7+R6)×1/2f</p><p>　　C4=2.5/(R7+R6)4f=2.5/20×1000×4×150×1000≈208.3pF</p><p>　　取C4=220pF,R7=10

65、KΩ,R6采用20KΩ可調(diào)電位器。使振蕩器頻率f在150KHz左右有較大的調(diào)整范圍。</p><p><b>　　3． 比較器</b></p><p>　　選用LM311精密、高速比較器，電路如圖，供電為5v單電源，給V＝V提供2．5v的靜態(tài)電位，取R＝R，R＝R，4個(gè)電阻均取10KΩ。 出于三角波V=2v，所以要求音頻信號(hào)的V不能大于2v，否則會(huì)使功放產(chǎn)生失真。&l

66、t;/p><p>　　圖5-14比較器電路</p><p>　　5.2.2 前置放大器</p><p>　　電路如圖5-15所示。設(shè)置前置放大器，可使整個(gè)功放的增益從1—20連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。 當(dāng)功放輸出的最大不失真功率為1w時(shí)，其8Ω上的電壓V=8v，此時(shí)送給比較器音頻信號(hào)的V值應(yīng)為2V，則功放的最大增益約為4(實(shí)際上，功放的最大不失真功率要略大

67、干l w，其電壓增益要略大干4)。 因此必須對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行前置放大，其增益應(yīng)大干5。前放仍采用寬頻帶、低漂移、滿幅運(yùn)放TLC4502，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。 選擇同相放大器的目的是容易實(shí)現(xiàn)輸入電阻R1=10KΩ的要求。 同時(shí)，采用滿幅運(yùn)放可在降低電源電壓時(shí)仍能正常放大，取V=V/2=2．5V，要求輸入電阻R大干10KΩ，故取R=R=51KΩ，則R＝51／2=25.5，反饋電阻采用電位器R，取R=20KΩ,反相端電阻R取2．

68、4KΩ，則前置放大器的最大增益A為</p><p>　　A=1+R4/R3=1+20/2.4≈9.3</p><p>　　調(diào)整R使其增益約為8，則整個(gè)功放的電壓增益從0～32可調(diào)。</p><p>　　圖5-15前置放大器電路</p><p>　　考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值V<2．5v，取V=2.0 V，則要求輸入的音頻

69、最大幅度V<( V/ A)=2/8=250mv。 超過(guò)此幅度則輸出會(huì)產(chǎn)生削波失真。</p><p>　　5.2.3 驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　電路如圖5-16所示。 將PWM信號(hào)整形變換成互補(bǔ)對(duì)稱的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用CD40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)運(yùn)用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器驅(qū)動(dòng)的輸出管，保證了快速驅(qū)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)電路晶體三極管選用2SC8050和

70、2SA8550對(duì)管。</p><p><b>　　圖5-16驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　5. 2.4 高速開(kāi)關(guān)電路 </p><p>　　1． 方案論證與比較</p><p><b>　?、伲敵龇绞?lt;/b></p><p>　　方案一：選用推挽單端輸出方式(電路

71、如圖5-17所示)。電路輸出載波峰—峰值不可能超過(guò)5v電源電壓，最大輸出功率遠(yuǎn)達(dá)不到題目的基本要求。</p><p>　　圖5-17 推挽單端輸出電路</p><p>　　方案二：選用H橋型輸出方式(電路如圖5-18所示)。此方式可充分利用電源電壓，浮動(dòng)輸出載波的峰—峰值可達(dá)10 v，有效地提高了輸出功率，且能達(dá)到題目所有指標(biāo)要求，改選用此輸出電路形式。</p><p&

72、gt;　　圖5-18 H橋型輸出電路</p><p><b>　?、冢_(kāi)關(guān)管的選擇</b></p><p>　　為提高功率放大器的效率和輸出功率，開(kāi)關(guān)管的選擇非常重要，對(duì)它的要求是高速、低導(dǎo)通電阻、低損耗。</p><p>　　方案一：選用晶體三極管、IGBT管。 晶體三極管需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，并存在儲(chǔ)存時(shí)間，開(kāi)關(guān)特性不夠好，使整個(gè)功放的靜態(tài)損

73、耗及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗較大；IGBT管的最大缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降太大。</p><p>　　方案二：選用VMOSFET管。VMOSFET管具有較小的驅(qū)動(dòng)電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開(kāi)關(guān)特性，故選用高速VMOSFET管。</p><p>　　2. 開(kāi)關(guān)功率輸出電路</p><p>　　①． H 橋式輸出電路基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　H 橋式輸出電路在數(shù)

74、字功放中廣泛采用，其差動(dòng)平衡式輸出可以濾除共模噪聲，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率，典型的數(shù)字功放H 橋式輸出電路如圖5-19所示，由四個(gè)開(kāi)關(guān)與輸出濾波器組成。K1-K2、 K3-K4 分別是橋的兩個(gè)橋臂，通過(guò)控制各個(gè)開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)，產(chǎn)生PWM1 與PWM2 兩個(gè)信號(hào)，不同的開(kāi)關(guān)控制規(guī)律決定PWM1 與PWM2 的波形不同，但無(wú)論何時(shí)，每個(gè)橋臂的上下兩只開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，以防止直通大電流的產(chǎn)生；由L、C組成的低通率波器濾除PWM 中的高頻

75、成分，還原出原始音頻信號(hào)。根據(jù)開(kāi)關(guān)控制規(guī)律的不同，橋式電路的PWM 輸出可分為雙極性PWM 與單極性PWM。</p><p>　　圖5-19 H 橋式輸出電路</p><p><b>　?、冢p極性PWM</b></p><p>　　H 橋式電路輸出的兩路PWM波是180反向的，圖5-20所示為50%占空比，輸入為零的情況。PWM1與PWM2

76、都是低電平為零，高電平為VCC 的方波，PWM1 與PWM2 形成的差動(dòng)信號(hào)則是低電平為-VCC，高電平為VCC 的方波。如果PWM中包含音頻信息，則輸出PWM 波的占空比發(fā)生變化，占空比變化的雙極性PWM 波與濾波后波形如圖5-21所示。</p><p>　　圖5-20 雙極性PWM 占空比為50%波形 圖5-21 雙極性PWM 占空比變化與濾波后波形</p><p><

77、b>　　③．單極性PWM</b></p><p>　　H橋式電路輸出的兩路PWM 波是同相的，圖5-22所示為50%占空比，輸入為零的情況，PWM1與PWM2 的相位差為零。PWM1與PWM2 都是低電平為零，高電平為VCC 的方波，PWM1與PWM2 形成的差動(dòng)信號(hào)在50%占空比情況下為零，如果PWM 中包含音頻信息，PWM 占空比在0 與100%之間發(fā)生變化時(shí)，PWM1 與PWM2 的相位&

78、lt;180，PWM1 與PWM2 形成的差動(dòng)信號(hào)則是低電平為-VCC，高電平為零，或者低電平為零，高電平為VCC 的方波，如圖5-23所示。</p><p>　　圖5-22 單極性PWM 占空比為50%波形 圖5-23 單極性PWM 占空比變化與濾波后波形</p><p>　?、埽?LC 濾波特性</p><p>　　為了從PWM 波中恢復(fù)音頻信號(hào)，要采用

79、LC元件對(duì)PWM 進(jìn)行濾波，LC 參數(shù)要根據(jù)負(fù)載阻抗、PWM頻率、音頻帶寬、高頻噪聲等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)LC 濾波器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，上述幾方面要求是相互矛盾：選擇L、C 的參數(shù)較小，可以得到寬頻帶平直的響應(yīng)曲線，但濾波后殘余的PWM 高頻噪聲幅度較大，高頻噪聲超出音頻范圍，對(duì)聽(tīng)感不會(huì)造成太大影響，但導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾；如果選擇L、C 的參數(shù)較大，可以將高頻噪聲降至較低水平，但頻響范圍變小，頻響曲線不平坦，在特定頻率段會(huì)造成很大幅度的電壓抬升。&

80、lt;/p><p>　　H 橋式電路輸出PWM波的極性不同，會(huì)對(duì)濾波器輸出產(chǎn)生影響。雙極性PWM與單極性PWM經(jīng)LC 濾波后的波形對(duì)比如圖5-24～圖5-26所示。相關(guān)參數(shù)如下：PWM 頻率：350～400kHz；音頻信號(hào)：1kHz；負(fù)載：8Ω純電阻；L1、L2：15μH；C1、C2 ：0.33μF。</p><p>　　(a)雙極性PWM

81、 (b) 單極性PWM</p><p>　　圖5-24 輸出削波之前</p><p>　　(a)雙極性PWM (b) 單極性PWM</p><p>　　圖5-25 輸出中等幅度</p><p>　　(a)雙極性PWM (b) 單

82、極性PWM</p><p>　　圖5-26 殘余高頻噪聲</p><p>　　從以上各圖可以看出，在相同條件下，單極性PWM比雙極性PWM波形清晰，高頻包絡(luò)成分少，高頻噪聲僅有雙極性PWM 的1/16。</p><p>　　在阻抗分別為2Ω、4Ω、8Ω、16Ω、32Ω、空載等情況下，雙極性PWM與單極性PWM經(jīng)LC濾波后的20～20kHz 幅頻特性曲線對(duì)比如圖5-2

83、7。所示從中可以看出對(duì)于4Ω以上阻抗，采用單極性PWM可以得到更平直的幅頻特性，對(duì)于低阻抗驅(qū)動(dòng)，雙極性PWM更有優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　(a)雙極性PWM (b) 單極性PWM</p><p>　　圖5-27 不同阻抗幅頻特性曲線</p><p><b>　?、荩?總結(jié)</b></p&

84、gt;<p>　　數(shù)字功放H 橋式輸出電路的兩類PWM可分為雙極性與單極性；單極性PWM具有高頻噪聲低，電磁干擾小，4Ω以上阻抗幅頻特性平直，10kHz～20kHz 輸出電壓抬升小等優(yōu)點(diǎn)，所反映出的負(fù)載阻抗變化敏感性小，特別適合負(fù)載變化較大的應(yīng)用場(chǎng)合，如公共廣播定壓輸出功放；在較低負(fù)載阻抗時(shí)，采用雙極性PWM 可以得到更大范圍的頻率響應(yīng)。</p><p>　?、蓿?H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路</p&

85、gt;<p>　　對(duì)VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)啟電壓小。 因輸出功率稍大于l w，屬小功率輸出，可選用功率相對(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管，IRFDl20和IRFD9120 VMOS對(duì)管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實(shí)際電路如圖5-28所示。 互補(bǔ)PWM開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開(kāi)啟Q5和Q8或Q6和Q7，分別經(jīng)兩個(gè)4階Butterworth濾波器濾波后推動(dòng)喇叭工作。</p><

86、;p>　　圖5-28 H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路</p><p>　　5. 2.5 低通濾波</p><p><b>　　1．濾波器的選擇</b></p><p>　　方案一：采用兩個(gè)相同的二階Butterworth低通濾波器。 缺點(diǎn)是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。</p><p>　　方案二：采用兩個(gè)相同的四階B

87、utterworth低通濾波器，在保證20kHz頻帶的前提下使負(fù)載上的高額載波電壓進(jìn)一步得到衰減。</p><p><b>　　2． 低通濾波</b></p><p>　　采用開(kāi)關(guān)放大技術(shù)的數(shù)字功放工作原理與模擬功放完全不同，其開(kāi)關(guān)功率級(jí)輸出的高頻PWM信號(hào)中包含有音頻信號(hào)。PWM 頻率為幾百kHz，比音頻信號(hào)帶寬20~20kHz 大得多，為了從PWM 開(kāi)關(guān)信號(hào)中恢復(fù)

88、出音頻信號(hào)，通常采用低通濾波器（LPF），低通濾波器頻率特性如圖5-29所示。</p><p>　　圖5-29 低通濾波器頻率特性</p><p>　　圖5-30與圖5-31為PWM 濾波前后的時(shí)域與頻域分析。從圖中可以看出，PWM 經(jīng)過(guò)低通濾波器后高頻分量大大減小，音頻信號(hào)得到恢復(fù)，但總會(huì)殘留部分高頻開(kāi)關(guān)成分。</p><p>　　圖5-30 PWM 濾波前后的時(shí)

89、域波形 圖5-31 PWM 濾波前后的頻譜分布</p><p>　　根據(jù)組成低通濾波器的元件與結(jié)構(gòu)不同，低通濾波效果與應(yīng)用方面不盡相同。圖5-32所示為數(shù)字功放中低通濾波器可能出現(xiàn)的位置及作用。低通濾波器按照組成元件通?？煞譃長(zhǎng)C、RC型，RC又可分為無(wú)源與有源型，低通濾波器的比較如表5-2所示</p><p>　　圖5-32 數(shù)字功放中低通濾波器位置及作用</p>

90、<p>　　表5-2 低通濾波器的比較</p><p>　　以二階LC低通濾波器為例，其拉普拉斯變換為：</p><p>　　在LC 低通濾波器中，負(fù)載電阻R是影響Q值的一個(gè)變量，負(fù)載電阻的變化將影響頻率響應(yīng)曲線，圖5-33所示為負(fù)載電阻為4 歐姆所設(shè)計(jì)的LC 參數(shù)，頻響曲線平坦，對(duì)于8 歐姆與2 歐姆負(fù)載，在20kHz 處的幅度分別有2db 的抬升與-4dB 的下降。<

91、/p><p>　　圖5-33 不同負(fù)載時(shí)LC 低通濾波器頻率響應(yīng)</p><p>　　6 MAX9703/MAX9704單聲道/立體聲D類音頻功率放大器</p><p><b>　　6.1 概述</b></p><p>　　MAX9703/MAX9704單聲道/立體聲D類音頻功率放大器，以D類效率提供AB類放大器的性能，節(jié)省

92、電路板空間，而且無(wú)需使用大型的散熱裝置。這兩款器件采用了D類結(jié)構(gòu)，提供15W功率時(shí)效率高達(dá)78%。受專利保護(hù)的調(diào)制與開(kāi)關(guān)方案可以省去傳統(tǒng)D類放大器的輸出濾波器。</p><p>　　MAX9703/MAX9704提供兩種調(diào)制方案：固定頻率模式(FFM)與擴(kuò)頻模式(SSM)，SSM模式降低了調(diào)制頻率產(chǎn)生的EMI輻射。本器件采用全差分結(jié)構(gòu)、全橋輸出，并具有全面的雜音抑制。</p><p>　　

93、MAX9703/MAX9704具有80dB的高PSRR，0.07%的低THD+N，以及超過(guò)95dB的SNR。短路與熱過(guò)載保護(hù)可防止器件在故障條件下?lián)p壞。MAX9703 提供32 引腳TQFN(5mm x 5mm x 0.8mm)封裝，MAX9704采用32引腳TQFN(7mm x 7mm x 0.8mm)封裝。兩款器件都工作在-40°C至+85°C擴(kuò)展級(jí)溫度范圍內(nèi)。</p><p>　　MAX

94、9703/MAX9704的應(yīng)用與：LCD TV 、LCD監(jiān)視器、臺(tái)式PC、LCD放映機(jī)、免提式車載電話適配器、汽車電子。</p><p>　　6.2 MAX9703/MAX9704詳細(xì)說(shuō)明</p><p>　　MAX9703/MAX9704無(wú)需濾波的D類音頻功率放大器對(duì)開(kāi)關(guān)模式放大技術(shù)作了一些重要改進(jìn)。MAX9703是單聲道放大器，MAX9704是立體聲放大器。這些器件以D類效率提供AB類

95、放大器的性能，占用最小的電路板空間。獨(dú)特的無(wú)濾波調(diào)制方案以及擴(kuò)頻切換模式構(gòu)成了一個(gè)緊湊、靈活、低噪聲、高效率的音頻功率放大器。差分輸入結(jié)構(gòu)降低了共模噪聲的拾取，可以不加輸入耦合電容。該器件也可以配置為單端輸入放大器。</p><p>　　比較器監(jiān)視器件輸入，并將互補(bǔ)輸入電壓與三角波進(jìn)行比較。當(dāng)三角波輸入幅度超出相應(yīng)的比較器輸入電壓時(shí)，比較器的輸出翻轉(zhuǎn)。</p><p>　　6.2.1 工作

96、效率</p><p>　　D類放大器的效率取決于輸出級(jí)晶體管的工作時(shí)間。在D類放大器中，輸出晶體管用作電流調(diào)整開(kāi)關(guān)，消耗的額外功率可以忽略不計(jì)。所有與D類輸出級(jí)相關(guān)的功耗主要是由MOSFET導(dǎo)通電阻與消耗靜態(tài)電流產(chǎn)生的I2R損耗決定。</p><p>　　理論上線性放大器的最佳效率為78%，不過(guò)該效率僅出現(xiàn)在輸出功率的峰值處。標(biāo)準(zhǔn)工作電平(典型的音頻信號(hào)重建電平)下，效率會(huì)下降到30%以下

97、，但在相同條件下，MAX9704仍可保持78%以上的效率(圖6-1)。</p><p>　　圖6-1 MAX9704 效率與AB 類效率的對(duì)比</p><p>　　6.2.2 應(yīng)用信息</p><p>　　1. 無(wú)濾波工作

98、 </p><p>　　傳統(tǒng)的D類放大器需要輸出濾波器，從放大器的PWM輸出恢復(fù)音頻信號(hào)。濾波器既增加了成本，也增大了放大器的尺寸，并會(huì)降低效率。傳統(tǒng)的PWM結(jié)構(gòu)采用較大的差分輸出擺幅(2 x VDD峰-峰值)，造成紋波電流過(guò)大。濾波元件的任何寄生電阻都會(huì)導(dǎo)致功率損耗、降低效率。</p><

99、;p>　　MAX9703/MAX9704不需要輸出濾波器，而是利用揚(yáng)聲器線圈自身的電感和揚(yáng)聲器與人耳的天然濾波作用，從方波輸出中恢復(fù)音頻成分。由于省去了輸出濾波器，可以獲得更小、更便宜、效率更高的方案。</p><p>　　由于MAX9703/MAX9704的輸出頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大多數(shù)揚(yáng)聲器的帶寬，由方波頻率引起的音頻線圈的偏移非常小。盡管這種偏移很小，若揚(yáng)聲器未經(jīng)專門(mén)設(shè)計(jì)，能夠處理額外功率的話，還是可能被損

100、壞。為獲得最佳效果，可以用一個(gè)等效串聯(lián)電感大于30µH的揚(yáng)聲器。典型的8?揚(yáng)聲器等效串聯(lián)電感在30µH至100µH范圍內(nèi)。揚(yáng)聲器電感大于60µH時(shí)可以獲得最佳效率。</p><p>　　2. 內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出(VREG)</p><p>　　MAX9703/MAX9704內(nèi)部提供一個(gè)6V穩(wěn)壓輸出(VREG)。MAX9703/MAX9704的REG輸出為

101、MAX9703/MAX9704的邏輯控制引腳(G_, FS_)提供邏輯高電平電壓，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并降低了系統(tǒng)成本。關(guān)斷時(shí)，VREG不能提供邏輯高電平電壓。不要用VREG作為系統(tǒng)周圍元件的6V電源。用6.3V、0.01µF電容將REG旁路至GND。</p><p><b>　　3. 輸出失調(diào)</b></p><p>　　與AB類放大器不同的是，D類放大器

102、在加上負(fù)載后其輸出失調(diào)電壓不會(huì)明顯增大靜態(tài)電流。這是D類放大器功率轉(zhuǎn)換的結(jié)果。例如，在AB類器件中，8mV的直流失調(diào)電壓通過(guò)8?負(fù)載會(huì)額外消耗1mA的電流。而對(duì)D類器件來(lái)說(shuō)，8mV的直流失調(diào)電壓通過(guò)8?負(fù)載時(shí)僅消耗8µW的額外功率。正是由于D類放大器的高效率，器件吸取的額外靜態(tài)電流僅為：8µW/(VDD/100 x η)，只有幾個(gè)微安。</p><p><b>　　4. 增益選擇&l

103、t;/b></p><p>　　MAX9703/MAX9704可由內(nèi)部設(shè)置邏輯編程增益，通過(guò)G1、G2邏輯輸入設(shè)置MAX9703/MAX9704揚(yáng)聲器放大器的增益(表6-1)。</p><p><b>　　表6-1 增益設(shè)置</b></p><p>　　7 D類功放的發(fā)展與技術(shù)展望</p><p>　　7.1 D類

104、功放的不足</p><p>　?。?）晶體管在接通和關(guān)閉的過(guò)程中，接地點(diǎn)的電位會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，從而增大噪音 </p><p>　?。?）功率輸出電路是用兩只功率晶體管接成的橋路，一只功率晶體管導(dǎo)通，另外一只關(guān)閉，這之間存在死區(qū)。</p><p>　?。?）輸出功率晶體管并不是純粹的開(kāi)關(guān)，也不是匹配得很好，會(huì)帶來(lái)畸變。 </p><p>　　（4

105、）功率輸出電路和揚(yáng)聲器之間用一只輸出低通濾波器把音頻以外的成分濾除，讓音頻信號(hào)進(jìn)入揚(yáng)聲器，但不可能徹底濾除脈寬調(diào)制的載波，這也是造成失真的一個(gè)因素。</p><p>　　7.2 D類功放的最新發(fā)展——T類功率放大器</p><p>　　針對(duì)D類功率放大器的缺陷，美國(guó)Tripath公司發(fā)明了一種稱作“Digital Power ProcessingTM（DPPTM）”的數(shù)字功率處理技術(shù)，它是

106、T類功放的核心。T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制D類功放相同，功率晶體管也是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功率和D類功放相當(dāng)。它和D類功放不同的是，它不是使用脈寬調(diào)制的方法。它把通信技術(shù)中處理小信號(hào)的適應(yīng)算法及預(yù)測(cè)算法用到這里。輸入的音頻信號(hào)和進(jìn)入揚(yáng)聲器的電流經(jīng)過(guò)DPPTM數(shù)字處理用于控制功率晶體管的導(dǎo)通關(guān)閉，因而不存在脈寬調(diào)制D類功放的那些缺陷。此外，T類功放的動(dòng)態(tài)范圍更寬，頻率響應(yīng)平坦，群延遲小。DDPTM的出現(xiàn)，把數(shù)字時(shí)代的功率放大器推到

107、一個(gè)新的高度。 </p><p>　　在T類功率放大器中，功率晶體管的切換頻率不是固定的（在D類功率放大器中是固定的），無(wú)用分量的功率譜不像D類功率放大器那樣是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在很寬的頻帶上，例如從1.5MHz至2.5MHz的頻帶上，它的波形和擴(kuò)譜技術(shù)的波形相似，因此，功率密度并不高，從而降低了對(duì)輸出低通濾波器的要求，同時(shí)它產(chǎn)生的EMI也不像D類功率放大器那么嚴(yán)重。</p>&l

108、t;p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　幾十年來(lái)，A類、B類、AB類音頻功率放大器在音頻領(lǐng)域中一直占據(jù)主導(dǎo)地位，其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)過(guò)程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過(guò)程；電路組成從單管到推挽過(guò)程；電路形成從變壓器輸出到OTL、OCL、BTL形式過(guò)程。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點(diǎn)是效率太低。全球音視頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對(duì)音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求

109、，迫使人們盡快開(kāi)發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器，它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字化設(shè)備相連接的特點(diǎn)。D類音頻功率放大器是PWM型功率放大器，符合上述要求。近幾年來(lái)，國(guó)際上加緊了對(duì)D類音頻功率放大器的研究與開(kāi)發(fā)，并取得了一定的進(jìn)展，幾家著名的研究機(jī)構(gòu)及公司已經(jīng)試驗(yàn)性地向市場(chǎng)提供了D類音頻功率放大器評(píng)估模塊及技術(shù)。這一技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，引起了科研、教學(xué)、電子工業(yè)、商業(yè)界的特別關(guān)注，現(xiàn)在這一前沿的