d類功放電路介紹入門經(jīng)典

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1、傳統(tǒng)的音頻功率放大器有a類、ab類、b類、c類等幾種，其功率放大器件（電子管、晶體管、場效應管、集成電路等）均工作于線性放大區(qū)域，屬線性放大器，其效率普遍不高，通常ab類放大器的效率不會超過60%。采用d類開關放大電路可明顯提高功放的效率。d類功放將音頻信號轉變?yōu)閷挾入S信號幅度變化的高頻脈沖，控制功率管以相應的頻率飽和導通或截止，功率管輸出的信號經(jīng)低通濾波器驅動揚聲器發(fā)聲。因功率管大部分時間處于飽和導通和截止狀態(tài)，功率損耗很小，其效率可達90%以上。典型的d類功放可提供200w輸出，效率達94%，諧波失真在1%~2.8%。d類功放保真度不如線性放大器，但在很多場合已能滿足要求，例如汽

2、車音響系統(tǒng)只要求低功率輸出時失真小于2%，滿功率輸出時小于5%，而且經(jīng)過改進d類功放的性能還將有所提高。另外，d類功放不存在交越失真。d類開關放大器的概念源于50年前，但因其工作頻率至少應為音頻信號上限頻率（20khz）的4~5倍，早期采用電子管、晶體管的電路在功率、效率等方面還不能充分體現(xiàn)其優(yōu)越性。20世紀80年代出現(xiàn)了開關速度和導通損耗滿足要求的mosfet，近年來又出現(xiàn)了集成前置驅動電路，如harris公司的hip4080，從而推動了d類功放的實用發(fā)展。d類功放所用的mosfet為n溝道型，因為n型溝道m(xù)osfet的導通損耗僅為相應規(guī)格的p溝道m(xù)osfet的1/3。d類開關放大

3、器由積分器、占空比調(diào)制器、開關驅動電路及輸出濾波器組成，圖1(a)所示的電路為采用半橋驅動的d類功放，它采用了固定頻率的占空比調(diào)制器，功率管輸出的方波信號與音頻信號混合作為負反饋信號送入積分器。積分器兼有濾波作用，輸出修正信號送占空比調(diào)制器，占空比調(diào)制器由比較器和三角波發(fā)生器組成[圖1(b)]，用修正信號對三角波進行調(diào)制產(chǎn)生調(diào)制輸出，推動功率管工作。負反饋應取自低通濾波器之前，否則因濾波后的信號與輸入的信號有相位差（二階濾波器可能引起180°的相位差），可能引起電路自激，需采用復雜的相位補償電路。驅動功率管的調(diào)制信號為占空比隨音頻輸入信號變化的方波，半橋驅動電路以相反的相位驅動兩個功

4、率管，一個導通時另一個截止。采用方波驅動是為了使mosfet盡可能地改變工作狀態(tài)，減少其處于線性放大區(qū)的時間，從而減少熱損耗，提高效率。該電路的效率主要取決于功率管的開關損耗和導通損耗。輸出濾波器將方波轉變?yōu)榉糯蟮囊纛l信號，推動揚聲器發(fā)聲。圖2為全橋驅動d類功放的原理簡圖。全橋驅動電路中負載上的電壓峰峰值兩倍于電源電壓，因而可用單電源代替半橋驅動電路中的雙電源供電。全橋驅動與半橋驅動電路工作原理相似，但采用了四個mosfet。反饋網(wǎng)絡中的濾波電路也有所不同，該電路中負載采用浮動接法，需要兩個低通濾波器來消除載波。四個功率管兩兩成對工作，為防止短路，驅動電路在關斷一對功率管后過一段時間

5、才開啟另一對功率管。全橋中的功率管只需承受半橋中一半的電壓，其導通損耗比半橋電路要小，這是因為mosfet導通時的漏源電阻rds(on)與漏源電壓bvdss不成線性關系，串聯(lián)的兩個mosfet總的rds(on)比bvdss增加一倍時單管的rds(on)小。圖２　全橋驅動d類功放電路簡圖功率管的選擇需要考慮以下幾點：峰值工作電壓、工作電流、開關速度、開關損耗、導通損耗。峰值工作電壓和電流決定了mosfet的規(guī)格，開關損耗、導通損耗及輸出濾波損耗決定了輸出級的效率。計算公式如下例如，要在8ω負載上獲得100w輸出，vp為40v，ip為5a，考慮到工作電壓應留25%的裕量，相應的mosfe

6、t規(guī)格為50v/5a。選擇內(nèi)部包含一個具有較短反向恢復時間的二極管的mosfet可減小開關損耗，目前較快的反向恢復時間約100ns。較低的工作頻率、較小的柵—源電容及較高驅動能力的驅動電路都有助于減小開關損耗。工作頻率過低會使輸出濾波器的設計變得困難，過高又會導致開關損耗增加并產(chǎn)生射頻干擾及電磁干擾，因此選擇工作頻率時需要綜合考慮。解決了開關損耗問題之后，d類開關放大器的效率主要取決于功率管的導通損耗，換言之，選用rds(on)較小的mosfet可提高放大器的效率。例如，mosfet的rds(on)為200mω，放大器效率比理想狀態(tài)下降5%，公式如下δη=2xrds(on)/zl=0

7、.4/8=0.05式中因子2對應于全橋驅動電路。同樣，當rds(on)為80mω時，效率損失只有2%，也就是說效率取決于器件的制造工藝。圖3所示為圖2中反饋網(wǎng)絡的電路，功率管輸出信號經(jīng)ic1c處理成為反饋信號，其幅值約為輸出信號的1/11。音頻輸入信號經(jīng)緩沖放大器ic1b放大，與反饋信號一同送至積分器ic1a，經(jīng)處理產(chǎn)生修正信號送圖3中驅動ic的比較器反相輸入端，從而產(chǎn)生調(diào)制輸出。圖3中還有另一路反饋取自電流采樣電阻，驅動ic據(jù)此對mosfet作過流保護。