应用电子技术毕业设计论文D类音频功率放大器的设计.doc

XXXXXXXXXXXXXX 毕业设计（论文）说明书作 者： 学 号： 学 号： 学 号： 系 部： 电气工程系 专 业： 应用电子技术 题 目： D类音频功率放大器的设计 指导者：评阅者： 2008年 5 月 摘要数字功率放大器具有模拟功率放大器不可比拟的优势，代表着音响技术数字化的新台阶。本系统以高效率D类功率放大器为核心，输出开关管采用高速VMOSFET管，连接成互补对称H桥式结构，最大不失真输出功率大于1W，平均效率可达到70左右。D类放大器包括脉宽调制器和输出级。本文首先介绍了声音的基本特性、音响放大器的技术指标、放大器分类和D类放大器的工作原理，接着进行了D类功放的仿真分析，包括PWM波的形成、频谱分析等等；然后根据D类功放的设计要素，设计了基于MAXIM公司的10W立体声/15W单声道集成芯片MAX9703/MAX9704的D类放大器，并对D类功放的发展与技术展望进行了描述。在本文里，对放大器的各个模块包括放大电路、比较器电路、三角波产生电路、驱动电路等进行了设计和仿真，且达到了预先设定的指标。关键词: D类放大器 脉宽调制 高速开关电路 低通滤波目录1 引 言52 音响的基础知识72.1 声音的基本特性72.2 音响的结构及参数72.3 放大器的技术指标73 放大器的简介94 D类功放的原理及仿真134.1 D类功放的工作原理134.2 D类功放的EDA仿真154.2.1 EDA仿真概述154.2.2 D放大器原理仿真概述164.2.3 输入信号抽样PWM波的形成仿真174.2.4 输出信号PWM波的频谱仿真分析174.3 D类功放的优点185 D类功放的硬件设计195.1 D类功放的设计原理195.2 D类功放的设计要素225.2.1 输出晶体管尺寸选择225.2.2 输出级保护225.2.3 音质处理235.2.4 EMI处理255.2.5 LC滤波器设计265.2.6系统成本275.2.7 散热注意事项275.3 D类功放电路分析与计算315.3.1脉宽调制器（PWM）315.3.2 前置放大器335.3.3 驱动电路345.3.4 高速开关电路355.3.5 低通滤波406 MAX9703/MAX9704单声道/立体声D类音频功率放大器446.1 概述446.2 MAX9703/MAX9704详细说明446.2.1 工作效率446.2.2 应用信息457 D类功放的发展与技术展望477.1 D类功放的不足477.2 D类功放的最新发展T类功率放大器47结论48致谢49参考文献501 引 言音响技术发展到今天，音响设备中大部分已实现了数字化，如作为音源的CD、DAT、MD、DVD等，数字调音台以及数字效果器、压限器、激励器等周边设备也被一些专业场所使用。而作为音响系统最后环节的功率放大器和扬声器却长期在数字化的大门外徘徊。人们对音响重放高保真度的追求是永无止境的，而模拟功率放大器经过了几十年发展，在技术上已经相当成熟，可以说已难于有新的突破。随着生活水平的提高，环保与能量的利用率也渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，人们再一次把目光投向数字功放。其实早在20世纪60年代末期就有人着手数字放大器的研究，为什么在这数十年以来的音响发展历程，一直不见其产品面市？究其原因，是在数字音频放大器的设计与制作过程中，最大的难题就是高速转换控制系统。因为其需要极高的精确度，但在如何解决脉冲调制放大在工作时提供持续稳定的线性响应，以及如何避免产生辐射脉冲干扰等方面难以取得突破，故一直使脉冲调制型放大器在音响应用领域停滞不前，举步维艰。如今，随着脉冲调制放大电路的技术瓶颈被逐渐解决，数字放大器的优点日渐突显，新品不断推出，也越来越受到人们的关注了。低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。模拟功率放大器通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。工作在开关状态下的D类功率放大器却很容易实现，大功率，高效率，低失真。传统的音频功放工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁。功率输出受到限制。此外，模拟功率放大器还存在以下的缺点:1.电路复杂，成本高。常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路，体积较大，电路复杂。2.效率低，输出功率不可能做的很大。D类开关音频功率放大器的工作基于PWM模式:将音频信号与采样频率比较，经自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波，然后经过驱动电路，加到功率MOS的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的PWM送入滤波器，则还原为音频信号。D类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际的运用也可达80%以上。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。功率MOS有自保护电路，可以大大简化保护电路，而且不会引入非线性失真。对于高电感的扬声器，在设计电路时，是可以省去低通滤波器LPF)，这样可以大大的节省体积和花费。而且有更高的保真度，这一点，在国外的SVD类功率放大器中已经开始运用，如:TEXAS公司的TPA2002D2。近年来，国外的公司对D类功率放大器进行了研究和开发，提出了一些方案，但是尚存在了较大的难度，由于采用PWM方式，为了提高音质，降低失真，必须提高调制频率，但是在较高频率下，会产生一定的问题，同时，D类功率放大器对器件的要求较高，不利于降低成本。2 音响的基础知识2.1 声音的基本特性音量:它与声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听音的主观感觉。音调:是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量“频率”对应人耳的听觉范围:20hz20KHz称之为可听声，低于20Hz称为次声，高于20KHz称为超声，人耳对3K4K的声音最敏感。音色:又叫音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功放的偶次谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳，清丽。2.2 音响的结构及参数前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对各种节目源信号进行选择和处理，对微弱信号放大到0.5-1V，进行各种音质控制，以美化音色。功率放大器，承担放大任务，是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，以推动扬声器发声。有电压放大，电流放大，要求是宏亮而不失真。2.3 放大器的技术指标1.额定功率:音响放大器输出失真度小于某一数值(r<1%)的最大功率称为额定功率，表达式；P= U/R, U为负载两端的最大不失真电压，R为额定负载阻抗。测量条件如下:信号发生器输出频率为1KH，电压U=20mV正弦信号。功率放大器的输出端接额定负载电阻凡(代替扬声器)，输入端接U，逐渐增大输入电压U，直到U的波形刚好不出现谐波失真(r<1%)，此时对应的输出电压为最大输出电压。测量后应迅速减小U，以免损坏功率放大器。2.频率响应放大器的电压增益相对于中音频f (1KHz)的电压增益下降3dB时所对应的低音音频f和高音音频f称为放大器的频率响应。测量条件如下:调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的50%输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率f从20Hz-20KHz(保持U=20mV不变)测出负载电阻上对应的输出电压U。3.输入灵敏度使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压(有效值)称为灵敏度。4.噪声电压使输入为零时，输出负载凡上的电压称为噪声电压U。测量:使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载RL的电压波形，用交流电压表测量其有效值。3 放大器的简介功率放大器通常根据其工作状态分为五类。即A类、AB类、B类、C类、D类。在音频功放领域中，前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。D类放大器比较特殊，它只有两种状态，不是通就是断。因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。1. A类放大器我们略去电路直接从特性曲线来讨论工作状态，见图3-1中左边为晶体管输入特性，固定置偏所形成的工作点在Q点，当正弦音频信号输入时，其幅度未超出线性范围，集电极工作状态处于截止区和饱和点之内，集电极电流为完整的全周导通的正弦波，此时导通角为180度，(导通角是以最小值至最大值之间占全周的部分来计算，全周导通时为180度)。这种放大状态失真度较小，只受器件特性曲线的影响，若器件线性好则失真最小，但是，当无交流输入时，有约一半幅度(Q点)的直流电流，其损耗为I × V，故效率是最低的，低于50%，所以这种A类功率放大仅用于很小功率的收音机，助听器中，也有用于高级的Hi-Fi功放中。图3-1 A类放大器2. B类放大器图3-2 B类放大器静态置偏为Q点，处于截止点上，因此信号输入时，只有半周导通(导通角为90度) ，如图3-2所示，。集电极输出半个正弦波。这种状态失真度就很大了，所以一般乙类放大器都用双管做成推挽式，每管工作半周构成完整的正弦波以减少失真。乙类状态的最大优点是无信号时原则上没有直流电流，因而没有直流功率损耗，效率超过50%，但由于曲线起始端的非线性，常将推挽放大器的两管均少量正向置偏，其导通角大于半周，故效率不能做得很高达60%-70%.工作介于AB之间，故又称AB类功放。其情况如图3-3, 3-4。图3-3 推挽电路形式IBVBEIBVBE图3-4 AB类放大和B类放大3. C类放大器情况如图3-5，静态置偏点在截止点之下，当信号输入时只有超过偏置点部分管子才导通(导通角小于90度)，效率更高，但由于失真过大，难用于音频功放，多用于高频功放作为倍频用，集电极电流呈脉冲状，谐波丰富，再用高Q电路调谐于基波频率，滤处谐波成分，使输出完整波形的正弦波。CVceIcIb=0Q图3-5 C类放大器 4. D类放大器以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功率损耗。无信号时电流愈大则直流损耗大，效率低。为此，要提高效率则应降低工作点，使无信号时，无直流损耗。但是，信号导通角逾小波形失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求矛盾。如果输入波形其他边沿很陡直，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣化不大而效率又可以提高。波形陡直的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后沿是垂直升降的，导通状态都不会变化，这样就诞生了工作与脉冲放大状态的D类放大器。D类放大器工作于开关状态，无信号时无电流，而导电时，没有直流损耗。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时，器件并未完全短路，尚有一定管压降，故存在较少直流损耗，效率不能达100%，实际在80-90%,是实用放大器中效率最高的。正是由于D类放大器的效率高，100瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，电路板可作的很小，大大减少了体积重量。并且由于工作比音频高10余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响很小。D类放大器与线性音频放大器（如A类、B类和AB类）相比，在功效上有相当的优势。对于线性放大器（如AB类）来说，偏置原件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。因为D类放大器的晶体管只是作为开关使用的，用来控制流过负载的电流方向，所以输出级的功耗极低。D类放大器的功耗主要来自输出晶体管导通阻抗、开关损耗和静态电流开销。放大器的功耗主要以热量的形式耗散。D类放大器对散热器的要求大为降低，甚至可以省去散热器，因此非常适用于紧凑型大功率应用。近年来，受以下两个主要因素的影响，这样的局面正逐渐扭转，使D类放大器在很多应用领域引起了人们的广泛关注。首先，是市场需要。D类放大器的某些优点推动了手机和LCD平板显示器这两个终端设备市场的迅速发展。对于手机来说，扬声器和PTT (Push-to-Talk，一键通)模式需要D类放大器的高效率，以延长电池寿命。LCD平板显示器的发展对电子器件提出了“低温运行(cool running)”的需求，这是由于工作温度的升高将影响显示颜色对比度。而D类放大器的高效率意味着驱动电子设备时功耗更低，使LCD平板显示器工作时发热更少，图像显示效果更好。影响D类放大器应用的第二个因素便是自身技术的发展。根据市场需要，一些制造商改进了D类放大技术，使D类放大器具有更理想价格的同时，也具备了与AB类放大器相近的音频性能。此外，一些新型的D类放大器输出调制方案还可以降低实际应用的EMI。 4 D类功放的原理及仿真4.1 D类功放的工作原理D类功率放大器的原理，首先将脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）音频数据流通过专门的等比特数字处理器（EquibitDSP）变换为脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）的数据流。采用脉宽调制后，音频信号便成为一系列的用“0”和“1”表示的宽度可变的脉冲串，脉冲的宽度越宽，信号的幅度就越大。将这些脉宽调制的数据流去推功率放大器的常规晶体输出管。由于受到脉宽调制数据流的作用，晶体输出管将迅速地时而饱和导通工作，时而截止不工作。晶体管导通工作时间越长，信号幅度便越大，于是晶体输出管为扬声器提供的电流也时而因管子导通而有电流流过，时而因管子截止而没有电流流过，音频信息便包含在这些接通、断开的周期过程中。脉冲串在由晶体管放大后，便由LC低通滤波器进行平滑处理，从而恢复为原有的音乐波形。D类放大器的电路工作方式为开关状态，作为放大音频正弦信号，还需模/数转换电路，将音频模拟信号先变为脉冲方波，从而进行放大。其原理方块图如图4-1,波形图如图4-2。输出A / DLPF 输入D/ A图4-1 D类放大器的原理方块图图4-2将正弦波变为脉冲波的脉宽调制电路从图4-1的结构可知，两个放大器反相连接，实际上构成推挽状态，起到开关作用去控制与电源串联的负载回路(RL)，低通滤波器LPF可以滤去脉冲波的高频部分，得到基波成分，所以实际上成为数/模(D/A)转换电路，重新将脉冲波还原成为正弦波。从电路看，当两支形状短路阻抗为0，开路阻抗为无穷大时，电路效率100%。因为扬声器是感性负载，对于高电感的扬声器如中频扬声器，D类功放可以不用低通滤波器，直接与扬声器相联。图4-2表示如何将正弦波变为脉冲波，让脉冲波的宽度受正弦波幅度调制，称为PWM信号，即“脉宽调制”信号。这里没有应用一般概念的A/D变换电路，而是用一个幅度与放大的正弦信号近似的三角波，共同作为变换器输入，相当于反相比较器。当三角波幅度大于正弦波幅部分，变换电路输出"1"；而三角波幅小于正弦波幅处，变换电路均输出"0"；这样即将输入的正弦信号变为宽度随正弦信号波幅变化的PWM波。D类功放使用的开关管采用功率型MOSFET，即大功率场效应管，并为保证足够的激励电压而设有驱动电路，使FET能充分的开启和关断。图4-3是PWM波的频谱，当放大单一频率正弦时，其频谱中除低频段存在与输入信号同频率的基波成分外，还存在各次谐波的频谱。因此用LPF低通滤波器就可以滤去高频谐波而得到正弦基波成分，因此，可使数模转换电路非常简化。f输入信 号的频率谐波频谱图4-3 PWM波的频谱4.2 D类功放的EDA仿真4.2.1 EDA仿真概述EDA（Electronic Design Automation ）是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包。主要能辅助进行三方面的设计工作，既IC设计、电子电路设计和PCB设计。EDA技术经过了三个阶段的发展。从70年代的（CAD）阶段和80年代的（CAE）阶段，到90年代的电子系统设计自动化（EDA）阶段。EDA技术代表了当今电子设计技术的最新发展方向。它不仅为电子技术设计人员提供了“自顶向下”的设计理念，同时也为教学提供了一个极为便捷的、科学的实验教学平台。电工电子类专业课程中的电工基础、模拟电子技术、数字电子技术都可以通过EDA仿真软件，进行电路图的绘制、设计、仿真试验和分析。本课题研究时采用简单易用的EWB软件，其操作简单、直观，对计算机的要求低，特别适合初学者和在校的学生使用。图44给出了电路建模EDA仿真分析时一般的步骤根据流程图的步骤，重点应该做好课题建模、仪器的连接、运行仿真试验、分析结果等工作。建模过程中，各级电路的元器件参数选择必须 准确，应防止节点的虚脱和注意地端的连接。测试仪器的使用，应注意相关的对话框设置，做到各项选择符合其电路要求。运行仿真试验的目的就是得出分析数据、电路波形特性及各种相关参数。YN元件参数调整仿真测试确定研究课题仿真建模设定测试点及要求选定测试仪器仿真测试数据综合分析结果 图44 EDA仿真分析流程图4.2.2 D放大器原理仿真概述根据上面的研究，D类音频功率放大器主要有三角波发生器、电压比较器、场效应管驱动电路和低通滤波器构成，现将仿真电路设计如下。图45 D类放大器的仿真电路其中输入信号为1KHz的正弦波，抽样信号为200KHz由的三角波，由EWB中的信号发生器提供，幅度为2V，占空比为50；电压比较器采用EWB中的理想运算放大器，输出的极值为5V5V；场效应管驱动电路采用理想场效应管构成的开关放大电路；低通滤波器为LC二阶滤波器。4.2.3 输入信号抽样PWM波的形成仿真图46 PWM波的形成仿真4.2.4 输出信号PWM波的频谱仿真分析图47 傅里叶分析的设置4.3 D类功放的优点在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器，AB类放大器和B类放大器。与D类放大器设计相比较，即使是最有效的线性输出级，它们的输出级功耗也很大。这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板(PCB)面积和成本，并且能够延长便携式系统的电池寿命。 和模拟功率放大器相比较，D类功率放大器有以下明显优势： （1）直接接收CD、DVD等数字音源输出的同轴或光纤数字音频信号，直接以数字信号进行放大，体现了与数字音源的完美结合。 （2）高、中、低频无相对相移，声音清晰透明，声像定位准确。由于采用无负反馈的放大电路、数字滤波器等处理技术，可以将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在20Hz20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。 （3）瞬态响应好，即“动态特性”好。由于它不需传统功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“动力”特征。 （4）无过零失真。传统功放一般都存在由于对管配对及各级调整不佳产生的过零、交越失真。 （5）能量转换效率极高，体积小，可靠性高。耗电量仅为同功率等级模拟放大器的三分之一。其电源使用效率高达90%以上，节约能源，也符合环保要求。而B类放大器效率仅为78%（理论值），A类功放的效率就更低。由于D类功放极高的效率，半导体器件的温升明显减小，失真率也就显著减小。 （6）适合于大批量生产。产品的一致性好，生产中无需调试，只要保证元器件正确安装即可。5 D类功放的硬件设计5.1 D类功放的设计原理在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地。认为A类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。但是，A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽跌。B类功放虽然效率提高很多，但实际效率仅为50左右，在小型使挠式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合，仍感效率偏低不能令人满意。所以，效率极高的D类功放，因其符合绿色华命的潮流正受着各方面的重视。由于集成电路技术的发展，原来用分立几件制作的很复杂的调制电路，现在无论在技术上还是在价格上均已不成问题。而且近年来数字音响技术的发展，人们发现D类功放与数字音响有很多相通之处，进一步显示出D类功放的发展优势。D类功放是放大力件处于开关工作状态的一种放大模式。无倍号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通*理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下，D类功放的效率为100，B类功放的效率为785，A类功放的效率才50或25(按负载方式而定)。D类功放实际上只具有开关功能，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。然而，开关功能(也就是产生数字信号的功能)随着数字音频技术研率的不断深入，用于HiF1音频放大的道路却口益畅通。20世纪60年代，设计人员开始研究D类功故用于音频的放大技术，70年代Bose公司就外始生产D类汽车功放。一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效率，另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功故，两者都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。共今关键的一步就是村音频信号的调制。图5-1是D类功放的基本结构，可分为三个部分：图5-1 D类功放的基本结构第一部分为调制器，最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号加上一定直流偏置后故在运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。若音频输入信号为零、直流偏置置三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为11的方波。当有音频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电乎长，方波的占空比大于1：1，负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方被占空比小于1：1。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制)或PDM(Pulse Duration Modulation 脉冲持续时间调制)波形。音频信息被调制到脉冲波形中。第二部分就是D类功故，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。能够输出的最大功率由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单，只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用Lc低通滤波器。当占空比大于1：1的脉冲到来时，C的充电时间大子放电时间，输出电平上升；窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相致，所以原音频传号被恢复出来，见图5-2。图5-2 模拟D类功放工作原理 D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。此时功放管的线性已没有太大意义，更重要的是开关响应和饱和压降。由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好。另外，整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗。所队饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能得到简化。若干年前，这种高频大功率管的价格昂贵，在一定程度上限制了D类功放的发展。现在小电流控制大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域，特别是近年来UHC MOSFET已在Hi-Fi功放上应用，器件的障碍已经消除。调制电路也是D类功放的一个特殊环节。要把20KHz以下的音频调制成PWM信号，三角波的频率至少要达到200KHz。频率过低达到同样要求的THD标准，对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂。频率高，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，THD就小，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器，造价相应降低。但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件小的高频损耗、射频的趋肤效应都会使整机效率下降。更高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHZ。同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。所以要实现高保真，出现了很多与数字音响保真相同的考虑。还有一个与音质有很大关系的因素就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器。该低通滤被器工作在大电流下，负载就是音箱。严格地讲，设计时应把音箱阻抗的变化一起考虑进去，但作为一个功放产品指定音箱是行不通的，所以D类功放与音箱的搭配小更有发烧友驰骋的天地。实验证明，当失真要求在0.5以下时，用二阶Butterworth最平坦响应低通滤波器就能达到要求。如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑。5.2 D类功放的设计要素虽然利用D类放大器的低功耗优点有力推动其音频应用，但是有一些重要问题需要设计考虑，包括：输出晶体管尺寸选择；输出级保护；音质处理；抗电磁干扰( EMI)；LC滤波器设计；系统成本；散热。 5.2.1 输出晶体管尺寸选择选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗。当传导大的IDS时保证VDS很小，要求输出晶体管的导通电阻(RON)很小(典型值为0.1W0.2W)。但这要求大晶体管具有很大的栅极电容(CG)。开关电容栅极驱动电路的功耗为CV2f，其中C是电容，V是充电期间的电压变化，f是开关频率。如果电容或频率太高，这个“开关损耗”就会过大，所以存在实际的上限。因此，晶体管尺寸的选择是传导期间将IDS×VDS损失降至最小与将开关损耗降至最小之间的一个折衷。在高输出功率情况下，功耗和效率主要由传导损耗决定，而在低输出功率情况下，功耗主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其器件的RON×CG减至最小以减少开关应用中的总功耗，从而提供开关频率选择上的灵活性。5.2.2 输出级保护输出级必须加以保护以免受许多潜在危险条件的危害： 过热: 尽管D类放大器输出级功耗低于线性放大器，但如果放大器长时间提供非常高的功率，仍会达到危害输出晶体管的水平。为了防止过热危险，需要温度监视控制电路。在简单的保护方案中，当通过一个片内传感器测量的温度超过热关断安全阈值时，输出级关断，并且一直保持到冷却下来。除了简单的有关温度是否已经超过关断阈值的二进制指示以外，传感器还可提供其它的温度信息。通过测量温度，控制电路可逐渐减小音量水平，减少功耗并且很好地将温度保持在限定值范围内，而不是在热关断期间强制不发出声音。输出晶体管过流: 如果输出级和扬声器端正确连接，输出晶体管呈低导通电阻状态不会出现问题，但如果这些结点不注意与另一个结点或正、负电源短路，会产生巨大的电流。如果不经核查，这个电流会破坏晶体管或外围电路。因此，需要电流检测输出晶体管保护电路。在简单保护方案中，如果输出电流超过安全阈值，输出级关断。在比较复杂的方案中，电流传感器输出反馈到放大器中，试图限制输出电流到一个最大安全水平，同时允许放大器连续工作而无须关断。在这个方案中，如果限流保护无效，最后的手段是强制关断。有效的限流器还可在由于扬声器共振出现暂时的大瞬态电流时保持放大器安全工作。 欠压: 大多数开关输出级电路只有当正电源电压足够高时才能正常工作。如果电源电压太低，出现欠压情况，就会出现问题。这个问题通常通过欠压封锁电路来处理，只有当电源电压大于欠压封锁阈值时才允许输出级工作。图5-3 输出级晶体管的先合后开开关 输出晶体管导通时序 : MH和ML输出级晶体管(见图5-3)具有非常低的导通电阻。因此，避免MH和ML同时导通的情况很重要，因为它会产生一个从VDD到VSS的低电阻路径通过晶体管，从而产生很大的冲击电流。最好的情况是晶体管发热并且消耗功率；最坏的情况是晶体管可能被毁坏。晶体管的先开后合控制通过在一个晶体管导通之前强制两个晶体管都断开以防止冲击电流情况发生。两个晶体管都断开的时间间隔称为非重叠时间或死区时间。5.2.3 音质处理在D类放大器中，要获得好的总体音质必须解决几个问题。“卡搭”声：当放大器导通或断开时发出的卡搭声非常讨厌。但不幸的是，它们易于引入到D类放大器中，除非当放大器静噪或非静噪时特别注意调制器状态、输出级时序和LC滤波器状态。信噪比(SNR):为了避免放大器本底噪声产生的嘶嘶声，对于便携式应用的低功率放大器，SNR通常应当超过90 dB，对于中等功率设计SNR应当超过100 dB，对于大功率设计应当超过110 dB。这对于各种放大器是可以达到的，但在放大器设计期间必须跟踪具体的噪声源以保证达到满意的总体SNR。失真机理: 失真机理包括调制技术或调制器实现中的非线性，以及为了解决冲击电流问题输出级所采用的死区时间。在D类调制器输出脉宽中通常对包含音频信号幅度的信息进行编码。用于防止输出级冲击电流附加的死区时间会引入非线性时序误差，它在扬声器产生的失真与相对于理想脉冲宽度的时序误差成正比。用于避免冲击最短的死区时间对于将失真减至最小经常是最有利的。其它失真源包括：输出脉冲上升时间和下降时间的不匹配，输出晶体管栅极驱动电路时序特性的不匹配，以及LC低通滤波器元器件的非线性。电源抑制 (PSR): 在下图所示的电路中，电源噪声几乎直接耦合到输出扬声器，具有很小的抑制作用。发生这种情况是因为输出级晶体管通过一个非常低的电阻将电源连接到低通滤波器。滤波器抑制高频噪声，但所有音频频率都会通过，包括音频噪声。图5-4 D类开环放大器框图 如果不解决失真问题和电源问题，就很难达到PSR优于10 dB，或总谐波失真(THD)优于0.1%。甚至更坏的情况，THD趋向于有害音质的高阶失真。使用具有高环路增益的反馈(正如在许多线性放大器设计中所采用的)帮助很大。LC滤波器输入的反馈会大大提高PSR并且衰减所有非LC滤波器失真源。LC滤波器非线性可通过在反馈环路中包括的扬声器进行衰减。在精心设计的闭环D类放大器中，可以达到PSR > 60 dB和THD < 0.01%的高保真音质。但反馈使得放大器的设计变得复杂，因为必须满足环路的稳定性(对于高阶设计是一种很复杂的考虑)。连续时间模拟反馈对于捕获有关脉冲时序误差的重要信息也是必需的，因此控制环路必须包括模拟电路以处理反馈信号。在集成电路放大器实现中，这会增加管芯成本。为了将IC成本减至最低，一些制造商喜欢不使用或使用最少的模拟电路部分。有些产品用一个数字开环调制器和一个模数转换器来检测电源变化，并且用调整调制器进行补偿。这样可以改善PSR，但不会解决任何失真问题。其它的数字调制器试图对预期的输出级时序误差进行预补偿，或对非理想的调制器进行校正。这样至少会处理一部分失真源，但不是全部。对于音质要求宽松的应用，可通过这些开环D类放大器进行处理，但对于最佳音质，有些形式的反馈似乎是必需的。5.2.4 EMI处理D类放大器输出的高频分量值得认真考虑。如果不正确理解和处理，这些分量会产生大量EMI并且干扰其它设备的工作。两种EMI需要考虑：辐射到空间的信号和通过扬声器及电源线传导的信号。D类放大器调制方案决定传导EMI和辐射EMI分量的基线谱。但是，可以使用一些板级的设计方法减少D类放大器发射的EMI，而不管其基线谱如何。一条有用的原则是将承载高频电流的环路面积减至最小，因为与EMI相关的强度与环路面积及环路与其它电路的接近程度有关。例如，整个LC滤波器(包括扬声器接线)的布局应尽可能地紧密，并且保持靠近放大器。电流驱动和回路印制线应当集中在一起以将环路面积减至最小(扬声器使用双绞线对接线很有帮助)。另一个要注意的地方是当输出级晶体管栅极电容开关时会产生大的瞬态电荷。通常这个电荷来自储能电容，从而形成一个包含两个电容的电流环路。通过将环路面积减至最小可降低环路中瞬态的EMI影响，意味着储能电容应尽可能靠近晶体管对它充电。有时，插入与放大器电源串联的RF厄流线圈很有帮助。正确布置它们可将高频瞬态电流限制在靠近放大器的本地环路内，而不会沿电源线长距离传导。如果栅极驱动非重叠时间非常长，扬声器或LC滤波器的感应电流会正向偏置输出级晶体管端的寄生二极管。当非重叠时间结束时，二极管偏置从正向变为反向。在二极管完全断开之前，会出现大的反向恢复电流尖峰，从而产生麻烦的EMI源。通过保持非重叠时间非常短(还建议将音频失真减至最小)使EMI减至最小。如果反向恢复方案仍不可接受，可使用肖特基(Schottky)二极管与该晶体管的寄生二极管并联，以转移电流并且防止寄生二极管一直导通。这很有帮助，因为Schottky二极管的金属半导体结本质上不受反向恢复效应的影响。具有环形电感器磁芯的LC滤波器可将放大器电流导致的杂散现场输电线影响减至最小。在成本和EMI性能之间的一种好的折衷方法是通过屏蔽减小来自低成本鼓形磁芯的辐射。5.2.5 LC滤波器设计为了节省成本和PCB面积，大多数D类放大器的LC滤波器采用二阶低通设计。下图示出一个差分式二阶LC滤波器。扬声器用于减弱电路的固有谐振。尽管扬声器阻抗有时近似于简单的电阻，但实际阻抗比较复杂并且可能包括显著的无功分量。要获得最佳滤波器设计效果，设计工程师应当总是争取使用精确的扬声器模型。图5-5 差分开关输出级和LC低通滤波器常见的滤波器设计选择目的是为了在所需要的最高音频频率条件下将滤波器响应下降减至最小以获得最低带宽。如果对于高达20 kHz频率，要求下降小于1 dB，则要求典型的滤波器具有40 kHz巴特沃斯(Butterworth)响应(以达到最大平坦通带)。对于常见的扬声器阻抗以及标准的L值和C值，表5-1给出了标称元器件值及其相应的近似Butterworth响应。表5-1 标称元器件值如果设计不包括扬声器反馈，扬声器THD会对LC滤波器元器件的线性度敏感。电感器设计考虑因素：设计或选择电感器的重要因素包括磁芯的额定电流和形状，以及绕线电阻。额定电流：选用磁芯的额定电流应当大于期望的放大器的最高电流。原因是如果电流超过额定电流阈值并且电流密度太高，许多电感器磁芯会发生磁性饱和，导致电感急剧减小，这是我们所不期望的。通过在磁芯周围绕线