D類音頻功率放大器的研究與實(shí)現(xiàn)

1 引 言

音頻放大器已經(jīng)快有一個(gè)世紀(jì)的歷史了，最近幾年，電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展。音質(zhì)好、電源效率高、發(fā)熱少的D類放大器成為市場(chǎng)的需求。并且由于D類放大器的耗電低、發(fā)熱少等諸多特點(diǎn)，越來(lái)越得到日益強(qiáng)調(diào)環(huán)保的市場(chǎng)的認(rèn)同。同時(shí)，便攜電子設(shè)備的工作時(shí)間一直是廠商全力追求的最重要的性能指標(biāo)，新的無(wú)濾波器D類放大器在幾瓦特的功率級(jí)別上正在取代原先固定的AB類器件。與體積龐大的傳統(tǒng)線性放大器相比，使用D類放大器并不影響音頻信號(hào)的音質(zhì)卻能夠?qū)崿F(xiàn)便攜產(chǎn)品的小型化，因此市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品薄型化、便攜式的需求趨勢(shì)造就了傳統(tǒng)放大器向數(shù)字放大器的轉(zhuǎn)化。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，歷史上出現(xiàn)過(guò)三代D類放大器設(shè)計(jì)：

第一代的范例是由托卡塔設(shè)計(jì)的TacTMillennium，證實(shí)了D類放大器的概念，但是該技術(shù)還不能提供足夠的性能，這使第一代D類放大器向著實(shí)用性的方向發(fā)展。

第二代D類放大器把一個(gè)用于模擬源信號(hào)的PWM信號(hào)和一個(gè)集成的輸出級(jí)以及片外濾波器組合在一起。這些放大器需要源選擇，音量，平衡和音調(diào)控制等復(fù)雜的前端功能，而這些附加的功能增加了額外的復(fù)雜性。但是首先這代放大器變得價(jià)格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超過(guò)了AB類放大器，從而獲得了一定的應(yīng)用。

第三代是最近一段時(shí)間，現(xiàn)有的D類數(shù)字放大器較以前的技術(shù)已有所改善，他們?cè)谝糍|(zhì)、封裝、性能、價(jià)格和核心技術(shù)方面都已取得重大改進(jìn)。為了生成精確的音頻，輸入晶體管需要在動(dòng)態(tài)范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助精確地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的功率分配。通過(guò)采用一個(gè)簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大的內(nèi)部控制邏輯系統(tǒng)改善音頻輸出，并額外增加一套輸入晶體管，這些晶體管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)輸入的更精細(xì)的控制。最后還不能忽視新的架構(gòu)技術(shù)。

2 D類放大器的基本結(jié)構(gòu)

D類放大器的電路共分為三級(jí)：輸入開(kāi)關(guān)級(jí)、功率放大級(jí)及輸出濾波級(jí)。

D類放大器工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下可以采用脈寬調(diào)制(PWM)模式。利用PWM能將音頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)。通過(guò)一個(gè)比較器將音頻信號(hào)與高頻三角波進(jìn)行比較，當(dāng)反相端電壓高于同相端電壓時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)反相端電壓低于同相端電壓時(shí)，輸出為高電平。

在D類放大器中，比較器的輸出與功率放大電路相連，功放電路采用金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)替代雙極型晶體管(BJT)，這是因?yàn)椋?/p>

(1)功率MOSFET是一種高輸入阻抗、電壓控制型器件，BJT則是一種低阻抗、電流控制型器件。

(2)從二者的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)看，功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，BJT可能需要多達(dá)20％的額定集電極電流以保證飽和度，而MOSFET需要的驅(qū)動(dòng)電流則小得多，而且通?？梢灾苯佑蒀MOS或者集電極開(kāi)路TTL驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。

(3)MOSFET的開(kāi)關(guān)速度比較迅速，他是一種多數(shù)載流子器件，沒(méi)有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，能夠以較高速度工作。

(4)MOSFET沒(méi)有二次擊穿失效機(jī)理，他在溫度越高時(shí)往往耐力越強(qiáng)，發(fā)生熱擊穿的可能性越低。他還可以在較寬的溫度范圍內(nèi)提供較好的性能。

(5)MOSFET具有并行工作能力，具有正的電阻溫度系數(shù)。溫度較高的器件往往把電流導(dǎo)向其他MOSFET，允許并行電路配置。而且，MOSFET的漏極和源極之間形成的寄生二極管可以充當(dāng)箝位二極管，在電感性負(fù)載開(kāi)關(guān)中特別有用。

場(chǎng)效應(yīng)管有兩種工作模式，即開(kāi)關(guān)模式或線性模式。所謂開(kāi)關(guān)模式，就是器件充當(dāng)一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，在開(kāi)與關(guān)兩個(gè)狀態(tài)之間切換。線性工作模式是指器件工作在某個(gè)特性曲線中的線性部分，但也未必如此。此處的"線性"是指MOSFET保持連續(xù)性的工作狀態(tài)，此時(shí)漏電流是所施加在柵極和源極之間電壓的函數(shù)。他的線性工作模式與開(kāi)關(guān)工作模式之間的區(qū)別是，在開(kāi)關(guān)電路中，MOSFET的漏電流是由外部元件確定的，而在線性電路設(shè)計(jì)中卻并非如此。D類放大器需要兩只MOSFET，他們?cè)诜浅６痰臅r(shí)間內(nèi)可完全工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下。當(dāng)一只MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)，其管壓降很低；而當(dāng)MOSFET完全截止時(shí)，通過(guò)管子的電流為零。兩只MOSFET交替工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的開(kāi)關(guān)速度非?？?，因而效率極高，產(chǎn)生的熱量很低，所以D類放大器不需要散熱器。

3脈寬調(diào)制(PWM)

采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 D類數(shù)字音頻功率放大器與上述各類模擬功放的最大區(qū)別是不以線性放大音頻信號(hào)為基礎(chǔ)，而是以放大數(shù)字信號(hào)為原理的一種數(shù)字信號(hào)放大技術(shù)。D類數(shù)字功放首先把模擬音頻信號(hào)變換為脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，如圖1所示。

在PWM轉(zhuǎn)換中，以44.1 kHz或48 kHz的取樣頻率和8 b或16 b的量化率(即模擬信號(hào)振幅值的讀出刻度)進(jìn)行A／D(模擬／數(shù)字)變換，然后再把PWM數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高效率放大(D類放大)。由于音頻信號(hào)的信息全部包含在脈沖的寬度變化中，與脈沖的幅度變化無(wú)關(guān)，因此，只要采用截止頻率為30～40 kHz的低通慮波器就可把模擬音頻信號(hào)解調(diào)出來(lái)。圖2是D類數(shù)字功放的原理圖，為每個(gè)數(shù)字聲源直接輸出的PCM信號(hào)輸入，機(jī)內(nèi)還設(shè)置有一個(gè)PCM／PWM兩種脈沖編碼的轉(zhuǎn)換裝置。

為適應(yīng)CD光碟等數(shù)字聲源直接輸出的脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)字信號(hào)輸入，數(shù)字功放內(nèi)設(shè)有一個(gè)PCM轉(zhuǎn)換為PWM的調(diào)制轉(zhuǎn)換裝置。D類數(shù)字功放的電源利用率可達(dá)80％以上，他的延時(shí)(相移)約為模擬功放的1／6，但是解調(diào)出來(lái)的音頻信號(hào)交越失真較大。

4 D類放大器的電路設(shè)計(jì)

4.1 D類放大器的組成

D類放大器的架構(gòu)有對(duì)稱與非對(duì)稱兩大類，在此討論的D類功放針對(duì)的是對(duì)功率、體積都非常敏感的便攜式應(yīng)用，因此采用全電橋的對(duì)稱型放大器，以充分利用其單一電源、系統(tǒng)小型化的特點(diǎn)。D類放大器一般由積分器、PWM電路、開(kāi)關(guān)功放電路及輸出濾波器組成，原理框圖如圖3所示。

他采用了由比較器和三角波發(fā)生器組成的固定頻率的PWM電路，用輸入的音頻信號(hào)幅度對(duì)三角波進(jìn)行調(diào)制，得到占空比隨音頻輸入信號(hào)幅度變化的方波，并以相反的相位驅(qū)動(dòng)上下橋臂的功率管，使功率管一個(gè)導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)截止，再經(jīng)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號(hào)，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。采用全橋的D類放大器可以實(shí)現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并可減少干擾。全橋電路負(fù)載上的電壓峰峰值接近電源電壓的2倍，可采用單電源供電。實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采取2路輸出脈沖相位相反的方法。其輸出電壓是疊加變大的，經(jīng)過(guò)低通濾波器后，仍存在較大的負(fù)載電流，特別當(dāng)濾波器設(shè)計(jì)不好時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流就會(huì)更大，從而導(dǎo)致負(fù)載損耗大，降低放大器效率。

4.2 改進(jìn)型D類功率放大器電路設(shè)計(jì)

4.2.1 脈寬調(diào)制電路(PWM)設(shè)計(jì)

H全橋電路如圖4所示。

采取改進(jìn)的PWM調(diào)制方案：零信號(hào)輸入時(shí)2路輸出的PWM同相，負(fù)載上的電壓為0，當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，第一路輸出脈沖的占空比大于50％，另一路輸出脈沖的占空比小于50％，當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，第一路輸出脈沖的占空比小于50％，另一路輸出脈沖的占空比大于50％。

當(dāng)一路信號(hào)確定時(shí)，改進(jìn)PWM方案的第二路輸出與傳統(tǒng)PWM方案的第二路輸出相差了半個(gè)周期。采用這種PWM方法能夠抑制零信號(hào)輸入時(shí)的靜態(tài)損耗，從而有利于放大器效率的提高。

4.2.2 改進(jìn)全橋PWM方案的模擬實(shí)現(xiàn)方法

采用改進(jìn)PWM方案的全橋D類功率放大器結(jié)構(gòu)中，PWM控制器是以音頻信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)高頻(300 kHz)的三角波進(jìn)行調(diào)制，得到脈沖寬度隨音頻幅度變化的脈沖信號(hào)。比較器可采用高速比較器實(shí)現(xiàn)，其反相輸入端接高頻三角波，同相輸入端則分別接輸入電壓放大器輸出的相位相反的音頻信號(hào)。當(dāng)輸入音頻信號(hào)電壓為0時(shí)，輸出兩路占空比為50％的脈沖波；輸入信號(hào)電壓為正時(shí)，一路輸出為占空比大于50％的脈沖波，另一路輸出為占空比小于50％的脈沖波；輸入信號(hào)電壓為負(fù)時(shí)，情況則相反。該方案在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽高效率音頻功率放大器的設(shè)計(jì)中得到了很好的應(yīng)用。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)性能優(yōu)良，并降低了對(duì)濾波器性能的要求。

4.2.3 改進(jìn)全橋PWM方案的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法

采用基于CPLD的數(shù)字方法來(lái)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的全橋PWM方案，其PWM變換器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

當(dāng)輸入不同的脈寬數(shù)據(jù)D8～D0時(shí)，變換器輸出不同脈寬的PWM1和PWM2信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)512進(jìn)制計(jì)數(shù)器得到進(jìn)位脈沖C0和Cy2(延時(shí)C0半個(gè)周期)，用以決定PWM信號(hào)的頻率，其上升沿將D觸發(fā)器Q端置1；512進(jìn)制計(jì)數(shù)器的數(shù)值從0開(kāi)始不斷遞加，當(dāng)計(jì)數(shù)值與輸入脈寬寄數(shù)值相等時(shí)，比較器輸出一個(gè)負(fù)脈沖，將觸發(fā)器C清0。這樣實(shí)現(xiàn)了與輸入脈寬數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)的輸出。在電路的實(shí)現(xiàn)中，可利用2路PWM輸出存在的規(guī)律性，以減少所需的電路資源。將9 b數(shù)值比較器拆分成8 b比較器和1 b比較器，這樣2路PWM輸出可共用8 b比較器，只是高位比較器的比較量不同，因?yàn)镻WM2的清0時(shí)刻比PWM1的清0滯后了半個(gè)周期。

5 結(jié) 語(yǔ)

D類放大器是目前音頻播放器的非常有前途的發(fā)展方向，他更好地適應(yīng)了便攜式電子音頻設(shè)備對(duì)功率放大器的高效率，低失真的的發(fā)展要求。

本設(shè)計(jì)采用全橋改進(jìn)PWM方案實(shí)現(xiàn)的D類放大器具有效率高、降低濾波器要求等特點(diǎn)。采用CPLD實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的全橋PWM方案，并結(jié)合DSP實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換、數(shù)字插值和噪聲整形等處理，可實(shí)現(xiàn)高保真的音頻放大器，設(shè)計(jì)的數(shù)字功率放大器可對(duì)數(shù)字音源輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行直接放大，為數(shù)字音源和功率放大的整合提供了完整的解決方案。