d類功放原理與應(yīng)用

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1、D類放大器術(shù)語以及差分方式與單端方式的比較?圖3示出D類放大器中輸出晶體管和LC濾波器的差分實現(xiàn)。這個H橋具有兩個半橋開關(guān)電路，它們?yōu)闉V波器提供相反極性的脈沖，其中濾波器包含兩個電感器、兩個電容器和揚聲器。每個半橋包含兩個輸出晶體管，一個是連接到正電源的高端晶體管MH，另一個是連接到負電源的低端晶體管ML。圖3中示出的是高端pMOS晶體管。經(jīng)常采用高端nMOS晶體管以減小尺寸和電容，但需要特殊的柵極驅(qū)動方法控制它們(見深入閱讀資料1)。全H橋電路通常由單電源(VDD)供電，接地端用于接負電源端(VSS)。對于給定的VDD和VSS，H

2、橋電路的差分方式提供的輸出信號是單端方式的兩倍，并且輸出功率是其四倍。半橋電路可由雙極性電源或單極性電源供電，但單電源供電會對DC偏置電壓產(chǎn)生潛在的危害，因為只有VDD/2電壓施加到過揚聲器，除非加一個隔直電容器。?“激勵”的半橋電路電源電壓總線可以超過LC濾波器的大電感器電流產(chǎn)生的標(biāo)稱值。在VDD和VSS之間加大的去耦電容器可以限制激勵dV/dt的瞬態(tài)變化。全橋電路不受總線激勵的影響，因為電感器電流從一個半橋流入，從另一個半橋流出，從而使本地電流環(huán)路對電源干擾極小。?音頻D類放大器設(shè)計因素?雖然利用D類放大器的低功耗優(yōu)點有力推動其

3、音頻應(yīng)用，但是有一些重要問題需要設(shè)計工程師考慮，包括：?*輸出晶體管尺寸選擇；?*輸出級保護；?*音質(zhì)；?*調(diào)制方法；?*抗電磁干擾(?EMI)；?*LC濾波器設(shè)計；?*系統(tǒng)成本。?輸出晶體管尺寸選擇選擇輸出晶體管尺寸是為了在寬范圍信號調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗。當(dāng)傳導(dǎo)大的IDS時保證VDS很小，要求輸出晶體管的導(dǎo)通電阻(RON)很小(典型值為0.1W~0.2W)。但這要求大晶體管具有很大的柵極電容(CG)。開關(guān)電容柵極驅(qū)動電路的功耗為CV2f，其中C是電容，V是充電期間的電壓變化，f是開關(guān)頻率。如果電容或頻率太高，這個“開關(guān)損耗”就會過大

4、，所以存在實際的上限。因此，晶體管尺寸的選擇是傳導(dǎo)期間將IDS×VDS損失降至最小與將開關(guān)損耗降至最小之間的一個折衷。在高輸出功率情況下，功耗和效率主要由傳導(dǎo)損耗決定，而在低輸出功率情況下，功耗主要由開關(guān)損耗決定。功率晶體管制造商試圖將其器件的RON×CG減至最小以減少開關(guān)應(yīng)用中的總功耗，從而提供開關(guān)頻率選擇上的靈活性。?輸出級保護?輸出級必須加以保護以免受許多潛在危險條件的危害：?過熱:?盡管D類放大器輸出級功耗低于線性放大器，但如果放大器長時間提供非常高的功率，仍會達到危害輸出晶體管的水平。為了防止過熱危險，需要溫度監(jiān)視控制電路

5、。在簡單的保護方案中，當(dāng)通過一個片內(nèi)傳感器測量的溫度超過熱關(guān)斷安全閾值時，輸出級關(guān)斷，并且一直保持到冷卻下來。除了簡單的有關(guān)溫度是否已經(jīng)超過關(guān)斷閾值的二進制指示以外，傳感器還可提供其它的溫度信息。通過測量溫度，控制電路可逐漸減小音量水平，減少功耗并且很好地將溫度保持在限定值范圍內(nèi)，而不是在熱關(guān)斷期間強制不發(fā)出聲音。輸出晶體管過流:?如果輸出級和揚聲器端正確連接，輸出晶體管呈低導(dǎo)通電阻狀態(tài)不會出現(xiàn)問題，但如果這些結(jié)點不注意與另一個結(jié)點或正、負電源短路，會產(chǎn)生巨大的電流。如果不經(jīng)核查，這個電流會破壞晶體管或外圍電路。因此，需要電流檢測輸

6、出晶體管保護電路。在簡單保護方案中，如果輸出電流超過安全閾值，輸出級關(guān)斷。在比較復(fù)雜的方案中，電流傳感器輸出反饋到放大器中，試圖限制輸出電流到一個最大安全水平，同時允許放大器連續(xù)工作而無須關(guān)斷。在這個方案中，如果限流保護無效，最后的手段是強制關(guān)斷。有效的限流器還可在由于揚聲器共振出現(xiàn)暫時的大瞬態(tài)電流時保持放大器安全工作。?欠壓:?大多數(shù)開關(guān)輸出級電路只有當(dāng)正電源電壓足夠高時才能正常工作。如果電源電壓太低，出現(xiàn)欠壓情況，就會出現(xiàn)問題。這個問題通常通過欠壓封鎖電路來處理，只有當(dāng)電源電壓大于欠壓封鎖閾值時才允許輸出級工作。圖4??輸出級晶

7、體管的先合后開開關(guān)?輸出晶體管導(dǎo)通時序?:?MH和ML輸出級晶體管(見圖4)具有非常低的導(dǎo)通電阻。因此，避免MH和ML同時導(dǎo)通的情況很重要，因為它會產(chǎn)生一個從VDD到VSS的低電阻路徑通過晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。最好的情況是晶體管發(fā)熱并且消耗功率；最壞的情況是晶體管可能被毀壞。晶體管的先開后合控制通過在一個晶體管導(dǎo)通之前強制兩個晶體管都斷開以防止沖擊電流情況發(fā)生。兩個晶體管都斷開的時間間隔稱為非重疊時間或死區(qū)時間。利用新的調(diào)制技術(shù)和濾波器結(jié)構(gòu)降低D類放大器的EMI(上)D類放大器通常具有比AB類放大器更高的效率，適合低功耗應(yīng)

8、用。然而，盡管D類放大器具有這一先天優(yōu)勢，但仍然不能彌補傳統(tǒng)D類放大器所存在的缺點，即增加了成本，降低了音頻性能，并且需要輸出濾波。然而，近年來D類放大器技術(shù)的進步，降低了D類放大器成本，同時可以提供與AB類放大器相類似的音頻性能。此