在音頻放大電路中采用D類(lèi)放大器提高效率

目前在移動(dòng)電話(huà)、平面電視、LCD顯示器以及便攜式游戲設(shè)備等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中，已越來(lái)越多采用高效率D類(lèi)放大器，但在很多情況下，設(shè)計(jì)人員并不明白消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品內(nèi)部D類(lèi)放大器的基本工作情況，必須將原來(lái)對(duì)AB類(lèi)或線性放大器的有關(guān)知識(shí)擴(kuò)展至D類(lèi)放大器，對(duì)放大器理論進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)。

效率對(duì)比

D類(lèi)放大器比AB類(lèi)放大器的效率要高很多，圖1顯示了兩類(lèi)放大器在輸出功率變化時(shí)功耗變化情況，圖中將驅(qū)動(dòng)4Ω和8Ω負(fù)載的典型AB類(lèi)放大器與立體聲D類(lèi)放大器TPA3002D2進(jìn)行對(duì)比。D類(lèi)放大器可為音頻設(shè)計(jì)人員帶來(lái)兩大好處，如果應(yīng)用由電池供電，那么電池能夠使用更長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)榉糯笃骼速M(fèi)的電量會(huì)減少；另外如果同時(shí)需要較小體積以及較大輸出功率，D類(lèi)放大器可大幅減少散熱片所占面積甚至取消散熱片。

從圖1可看到，AB類(lèi)放大器隨著輸出接近最大輸出功率，其效率會(huì)不斷提高，但我們還應(yīng)考慮輸出功率的振幅因數(shù)，這與功耗有關(guān)，也相當(dāng)重要。振幅因數(shù)是峰值輸出功率與RMS輸出功率之比，即振幅因數(shù)=10log(輸出功率峰值/輸出功率RMS)

正弦波的振幅因數(shù)為3dB，這意味著對(duì)于峰值功率20W的放大器，RMS值將為10W。音頻信號(hào)的振幅因數(shù)為12～15dB，這是由于音樂(lè)是由不同樂(lè)器構(gòu)成，可能生成更大的電壓峰值，如在敲擊樂(lè)鼓或彈奏低音吉他時(shí)的情況，因此對(duì)相同的放大器輸入而言，RMS功率將為1.3W(采用12dB)，也就是說(shuō)比正弦波要低很多。這意味著當(dāng)播放音頻信號(hào)時(shí)，放大器很多時(shí)間都會(huì)在圖1的低功率區(qū)域，這時(shí)AB類(lèi)與D類(lèi)的效率差別很大。以圖1為例，在1.3W輸出功率上，AB類(lèi)放大器的功耗為7W，而D類(lèi)放大器的功耗僅為0.9W。

放大原理

線性放大器為所需輸出電壓提供固定電流，與橋式負(fù)載(BTL)AB類(lèi)放大器中輸出電流相等，圖2A顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的H橋AB類(lèi)放大器輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，輸出MOSFET具有不同的電阻，阻值作為放大器輸出電壓的函數(shù)而隨時(shí)變化，如漏極－源極電阻就將隨輸出電壓變化而變化。從電源通過(guò)負(fù)載的電流在MOSFET中會(huì)產(chǎn)生壓降，將該電流乘以MOSFET的壓降就得到了放大器的主要功耗，MOSFET中的功耗是AB類(lèi)放大器與D類(lèi)放大器相比效率不高的主要原因所在。

相比于線性音頻放大器，D類(lèi)放大器是在給定時(shí)間內(nèi)向負(fù)載提供固定量的功率。D類(lèi)放大器生成PWM信號(hào)，使輸出電壓在電源軌上交換，從而在輸出晶體管上產(chǎn)生很小壓降。

D類(lèi)放大器H橋中，優(yōu)化的MOSFET在狀態(tài)為“ON”時(shí)RDS(ON)(漏極－源極電阻)為零，在狀態(tài)為“OFF”時(shí)RDS(OFF)無(wú)限大，這樣D類(lèi)放大器就可從電源向負(fù)載提供等量的功率。由于所有MOSFET都存在一定的RDS(on)以及RDS(off)不可能無(wú)限大，會(huì)因RDS(on)和RDS(off)產(chǎn)生一定損耗，如圖2B所示，圖中的MOSFET簡(jiǎn)化為“ON”或“OFF”開(kāi)關(guān)。

從圖2B可以看到，電流從電源通過(guò)最初狀態(tài)為“ON”的MOSFET、負(fù)載、并通過(guò)后面一個(gè)狀態(tài)為“ON”的MOSFET，MOSFET上只會(huì)產(chǎn)生較小壓降。分壓電路由RDS(on)、RDS(off)以及輸出負(fù)載或揚(yáng)聲器RL形成，MOSFET的RDS(ON)極小，因此它上面幾乎沒(méi)有壓降；而狀態(tài)為“OFF”的MOSFET的RDS(off)值很大，因此幾乎沒(méi)有電流通過(guò)它們。同AB類(lèi)放大器相比這里僅有極小的功率被MOSFET消耗掉，因此D類(lèi)放大器效率是非常高的。

此外，這些輸出MOSFET開(kāi)關(guān)頻率通常約為250kHz，之所以采用該頻率是為了減小放大器的總諧波失真(THD)。如果放大器設(shè)置在更低的頻率上，所得的波形將導(dǎo)致較差的THD；而如果開(kāi)關(guān)頻率上升，則因開(kāi)關(guān)期間損耗上升會(huì)降低放大器的效率。250kHz開(kāi)關(guān)頻率是THD和效率之間一個(gè)很好的均衡。

D類(lèi)放大器輸出頻率為250kHz，這將形成如圖4所示的波形。請(qǐng)注意，有的調(diào)制使用揚(yáng)聲器電感器作為存儲(chǔ)元素，往往不再需要較大的LC過(guò)濾器。

圖5顯示了整個(gè)負(fù)載上的差動(dòng)信號(hào)。開(kāi)關(guān)信號(hào)并不是音頻信號(hào)，但耳朵實(shí)際上是一個(gè)低通濾波器，會(huì)自然過(guò)濾掉所有高于22kHz的頻率。耳朵不能聽(tīng)出高于22kHz的頻率，所以聽(tīng)到的將只有音頻信號(hào)。

一般說(shuō)來(lái)，D類(lèi)放大器都作為整個(gè)系統(tǒng)的一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，放大器的開(kāi)關(guān)性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)其它組件形成EMI干擾，因此我們可能還需要一些更多的過(guò)濾。就TI帶有新式調(diào)制方案的5V D類(lèi)放大器系列而言(如TPA2000D系列)，如果從放大器到揚(yáng)聲器的線徑較短，那么無(wú)需輸出過(guò)濾器即可使用。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，揚(yáng)聲器線長(zhǎng)在10厘米左右時(shí)，TPA2005D1不用屏蔽就能通過(guò)FCC和CE對(duì)輻射標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是對(duì)于像TPA3000D系列具有更高電壓的D類(lèi)放大器而言，通常都需要在所有應(yīng)用中采用鐵氧體磁珠過(guò)濾器以減小電磁干擾。

當(dāng)設(shè)計(jì)不用LC過(guò)濾器就無(wú)法通過(guò)輻射標(biāo)準(zhǔn)，且敏感電路頻率高于1MHz時(shí)，可使用鐵氧體磁珠過(guò)濾器。這對(duì)那些必須通過(guò)FCC和CE的電路來(lái)說(shuō)是很好的選擇，因?yàn)檫@些電路只檢測(cè)高于30MHz的電磁輻射，而鐵氧體磁珠過(guò)濾器在衰減大于30MHz高頻段時(shí)的表現(xiàn)要好于LC過(guò)濾器。而且選擇的鐵氧體磁珠過(guò)濾器在高頻帶有應(yīng)有較高阻抗而DC電阻極低，此外還應(yīng)確保額定電流值為所需音頻輸出電流的兩倍。