增強(qiáng)高功率D類音頻放大器設(shè)計(jì)中的性能和可靠性

作者：時(shí)間：2011-01-17 來源：網(wǎng)絡(luò)

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綠色能源標(biāo)準(zhǔn)、更低成本和更高音頻保真度的需求正在推動(dòng)D類放大器在高功率音頻中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn)（例如AB類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）比較復(fù)雜且效率低，但由于其對(duì)音頻的高保真性能，占據(jù)了高端音頻市場(chǎng)。D類系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、更高效，且提供媲美模擬放大器的高保真能力，正在迅速縮小在高端音頻市場(chǎng)中的差距。

典型的D類音頻系統(tǒng)先把模擬音頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字PWM信號(hào)，在數(shù)字域進(jìn)行功率放大，然后再把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)輸出。如圖1所示，輸入的音頻信號(hào)被送到一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器（PWM），它由運(yùn)算放大器和比較器組成，調(diào)制器通過生成與音頻輸入信號(hào)瞬時(shí)值成正比的調(diào)制占空比信號(hào)對(duì)音頻數(shù)字化。

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本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/187650.htm

圖1：D類放大器的基本框圖

PWM信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娖阶儞Q，然后送到柵極驅(qū)動(dòng)器，這個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制由MOSFET（M1和M2）組成的雙態(tài)功率電路。放大后的信號(hào)然后通過輸出濾波器（消除PWM載波頻率），最終僅僅放大了的模擬音頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。通過把濾波器輸入信號(hào)反饋到錯(cuò)誤放大器輸入端，進(jìn)行外部環(huán)路濾波，降低了失真和噪聲，進(jìn)一步提高了音頻輸出保真度。

D類放大器設(shè)計(jì)

功效

傳統(tǒng)的模擬功率放大器依賴于線性放大電路，很容易造成高功率損失。而相比之下，D類放大器的功率效率可以達(dá)到90％或更高（這取決于設(shè)計(jì)）。這種高效率的益處是D類放大器技術(shù)所固有的，放大機(jī)制使用二進(jìn)制轉(zhuǎn)換(通常是功率MOSFET)。這些開關(guān)或者完全導(dǎo)通或者完全關(guān)閉，只有很少的時(shí)間花費(fèi)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換上。離散的開關(guān)動(dòng)作和低MOSFET導(dǎo)通阻抗，減少了I²R損耗，提高了效率。然而，在實(shí)踐中，開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）必須足夠長以避免兩開關(guān)同時(shí)運(yùn)行時(shí)效率急劇下降。

高保真

音頻保真度可以被定義為聲音再生后的完整性，對(duì)于音頻系統(tǒng)，保真度一直是聲音質(zhì)量的代名詞。同時(shí)其他指標(biāo)也被用于衡量保真度，部分指標(biāo)的測(cè)量對(duì)設(shè)計(jì)人員來說特別具有挑戰(zhàn)性。最具挑戰(zhàn)性的兩個(gè)指標(biāo)是：總諧波失真（THD）和噪聲（N），統(tǒng)稱為THD+N。

THD是對(duì)音頻系統(tǒng)的精確測(cè)量，非常類似于高保真本身。再生信號(hào)的誤差來自于其他元件產(chǎn)生的輸入頻率諧波，明顯的區(qū)別于純輸出信號(hào)。THD是所有多余的諧波頻率能量與基本輸入頻率能量的比值，典型的在給定系統(tǒng)的半功率下測(cè)量獲得。THD性能對(duì)于大多數(shù)非高保真音頻應(yīng)用來說通常小于0.1%，挑剔的聽眾通常需要THD等級(jí)低至0.05％甚至更低。

輸出噪聲等級(jí)是對(duì)沒有信號(hào)輸入的放大器輸出的本底噪聲電平的測(cè)量。對(duì)于大多數(shù)揚(yáng)聲器來說，100-500µV的本底噪聲在正常的收聽距離內(nèi)是聽不到的，而達(dá)到1mV的本底噪聲就太吵了，所以，THD+N是衡量放大器音頻保真度的很好指標(biāo)。

D類驅(qū)動(dòng)器IC：特性和益處

可編程死區(qū)時(shí)間

D類放大器死區(qū)時(shí)間（即兩個(gè)開關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的時(shí)間段）直接影響到效率和THD。過于短暫的死區(qū)時(shí)間會(huì)引起直通電流，降低效率，過長的死區(qū)時(shí)間又會(huì)增大THD，這會(huì)給音頻保真度帶來不利影響。

必須精確設(shè)定死區(qū)時(shí)間，找到使功率效率和THD都最優(yōu)的“最佳位置”。當(dāng)前典型高電壓音頻驅(qū)動(dòng)器具有不精確的、重疊的死區(qū)時(shí)間設(shè)置（即1/n延遲值）。因此，多數(shù)設(shè)計(jì)人員都選擇采用分立元件來處理死區(qū)時(shí)間，這不僅花費(fèi)高而且耗時(shí)間。一個(gè)簡(jiǎn)潔且經(jīng)濟(jì)的解決方法是集成具有高精度死區(qū)發(fā)生器的柵極驅(qū)動(dòng)器。

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