D類數(shù)字功率放大器.doc

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3.3 D類數(shù)字功放 D類功放也叫丁類功放，是指功放管處于開關(guān)工作狀態(tài)的功率放大器。早先在音響領(lǐng)域里人們一直堅守著A類功放的陣地，認(rèn)為A類功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。但A類功放的低效率和高損耗卻是它無法克服的先天頑疾。后來效率較高的B類功放得到廣泛的應(yīng)用，然而，雖然效率比A類功放提高很多，但實際效率仍只有50%左右，這在小型便攜式音響設(shè)備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大功率功放場合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，如今效率極高的D類功放，因其符合綠色革命的潮流正受著各方面的重視，并得到廣泛的應(yīng)用。 3.3.1 D類功放的特點與電路組成 1．D類功放的特點 （1）效率高。在理想情況下，D類功放的效率為100%（實際效率可達(dá)90%左右）。B類功放的效率為78.5%（實際效率約50%），A類功放的效率才50%或25%（按負(fù)載方式而定）。這是因為D類功放的放大元件是處于開關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無信號輸入時放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個接通的開關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。 （2）功率大。在D類功放中，功率管的耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場合，輸出功率可達(dá)數(shù)百瓦。 （3）失真低。D類功放因工作在開關(guān)狀態(tài)，因而功放管的線性已沒有太大意義。在D類功放中，沒有B類功放的交越失真，也不存在功率管放大區(qū)的線性問題，更無需電路的負(fù)反饋來改善線性，也不需要電路工作點的調(diào)試。 （4）體積小、重量輕。D類功放的管耗很小，小功率時的功放管無需加裝體積龐大的散熱片，大功率時所用的散熱片也要比一般功放小得多。而且一般的D類功放現(xiàn)在都有多種專用的IC芯片，使得整個D類功放電路的結(jié)構(gòu)很緊湊，外接元器件很少，成本也不高。 2．D類功放的組成與原理 D類功放的電路組成可以分為三個部分：PWM調(diào)制器、脈沖控制的大電流開關(guān)放大器、低通濾波器。電路結(jié)構(gòu)組成如圖3.22所示。 圖3.22 D類功放的組成 其中第一部分為PWM調(diào)制器。最簡單的只需用一只運放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號加上一定直流偏置后放在運放的正輸入端，另外通過自激振蕩生成一個三角形波加到運放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零時，因其直流偏置為三角波峰值的1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時間一樣，輸出就是一個占空比為1：1的方波。當(dāng)有音頻信號輸入時，正半周期間，比較器輸出高電平的時間比低電平長，方波的占空比大于1：1；音頻信號的負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少，方波占空比小于1：1。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形，稱為PWM（Pulse Width Modulation脈寬調(diào)制）或PDM（Pulse Duration Modulation脈沖持續(xù)時間調(diào)制）波形。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中，脈沖波形的寬度與輸入的音頻信號的幅度成正比。 第二部分為脈沖控制的大電流開關(guān)放大器。它的作用是把比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號。能夠輸出的最大功率由負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。 第三部分為由LC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的低通濾波器。其作用是將大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。利用一個低通濾波器，可以濾除PWM信號中的交流成份，取出PWM信號中的平均值，該平均值即為音頻信號。但由于此時電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1：1的脈沖到來時，C的充電時間大于放電時間，輸出電平上升；窄脈沖到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相一致，所以原音頻信號被恢復(fù)出來。D類功放的工作原理見圖3.23。 　 （a）原理簡圖　　　　　　　　　　　　　　　 （b）工作波形 圖3.23　D類功放原理圖　　　 對于數(shù)字音頻信號輸入時，經(jīng)數(shù)字內(nèi)插濾波器和等比特調(diào)制器后，即可得到脈沖寬度與數(shù)字音頻的采樣點數(shù)據(jù)成正比的PWM信號。其中數(shù)字內(nèi)插濾波器是在數(shù)字音頻信號的數(shù)據(jù)之間再插入一些相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，以內(nèi)插方式提高數(shù)字音頻信號的采樣點數(shù)（采樣頻率），等比特調(diào)制器是將數(shù)字信號的數(shù)據(jù)大小轉(zhuǎn)換為脈沖的寬度，使輸出信號的脈沖寬度與輸入數(shù)據(jù)的大小成正比。 3．D類功放的要求 （1）對功率管的要求。D類功放的功率管要有較快的開關(guān)響應(yīng)和較小的飽和壓降。D類功放設(shè)計考慮的角度與AB類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太大意義，更重要的是開關(guān)響應(yīng)和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關(guān)響應(yīng)要好。另外，整機的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所以，管子的飽和壓降小不但效率高，且功放管的散熱結(jié)構(gòu)也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價格昂貴，限制了D類功放的發(fā)展，現(xiàn)在小電流控制大電流的MOSFET已在Hi-Fi功放上得到廣泛應(yīng)用。 （2）對PWM調(diào)制電路的要求。PWM調(diào)制電路也是D類功放的一個特殊環(huán)節(jié)，要把20kHz以下的音頻調(diào)制成PWM信號，三角波的頻率至少要達(dá)到200kHz（三角波的頻率應(yīng)在音頻信號頻率的10~20倍以上）。當(dāng)頻率過低時要達(dá)到同樣要求的THD（總諧波失真）標(biāo)準(zhǔn)，則對無源LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如果三角波的頻率高，輸出波形的鋸齒小，就能更加接近原波形，使THD小，而且可以用低數(shù)值、小體積和精度要求相對差一些的電感和電容來構(gòu)成低通濾波器，造價相應(yīng)降低。但是，晶體管的開關(guān)損耗會隨頻率的上升而上升，無源器件中的高頻損耗、射頻的聚膚效應(yīng)都會使整機效率下降。更高的調(diào)制頻率還會出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于1MHz。而在實際的中小功率D類數(shù)字功放中，當(dāng)三角波的頻率達(dá)到500kHz以上時，也可以直接由揚聲器的音圈所呈現(xiàn)的電感來還原音頻信號，而不用另外的LC低通濾波器。 另外在PWM調(diào)制器中，還要注意到調(diào)制用的三角波的形狀要好、頻率的準(zhǔn)確性要高、時鐘信號的抖晃率要低，這些參數(shù)都會影響到后面輸出端由LPF所復(fù)原的音頻信號的波形是否與輸入端的原音頻信號的波形完全相同，否則會使兩者有差異而產(chǎn)生失真。 （3）對低通濾波器的要求。位于驅(qū)動輸出端與負(fù)載之間的無源LC低通濾波器也是對音質(zhì)有重大影響的一個重要因數(shù)。該低通濾波器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。嚴(yán)格地講，設(shè)計時應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)去，但作為一個功放產(chǎn)品指定音箱是行不通的，所以D類功放與音箱的搭配中更有發(fā)燒友馳騁的天地。實際證明，當(dāng)失真要求在0.5%以下時，用二階Butterworth最平坦響應(yīng)低通濾波器就能達(dá)到要求。如要求更高則需用四階濾波器，這時成本和匹配等問題都必須加以考慮。近年來，一般應(yīng)用的D類功放已有集成電路芯片，用戶只需按要求設(shè)計低通濾波器即可。 （4）D類功放的電路保護(hù)。D類功率放大器在電路上必須要有過電流保護(hù)及過熱保護(hù)。此二項保護(hù)電路為D類功率IC或功率放大器所必備，否則將造成安全問題，甚至傷及為其供電的電源器件或整個系統(tǒng)。過電流保護(hù)或負(fù)載短路保護(hù)的簡單測試方法：可將任一輸出端與電源端（Vcc）或地端（Ground）短路，在此狀況下短路保護(hù)電路應(yīng)被啟動而將輸出晶體管關(guān)掉，此時將沒有信號驅(qū)動喇叭而沒有聲音輸出。由于輸出短路是屬于一種嚴(yán)重的異?，F(xiàn)象，在短路之后要回到正常的操作狀態(tài)必需重置（Reset）放大器，有些IC則可在某一延遲（Delay）時間后自動恢復(fù)。至于過熱保護(hù)，其保護(hù)溫度通常設(shè)定在150~160C，過熱后IC自動關(guān)掉輸出晶體管而不再送出信號，待溫度下降20C~30C之后自動回復(fù)到正常操作狀態(tài)。 （5）D類功放的電磁干擾。D類功率放大器必須要解決AB類功率放大器所沒有的EMI（Electro Magnetic Interference，電磁干擾）問題。電磁干擾是由于D類功率放大器的功率晶體管以開關(guān)方式工作，在高速開關(guān)及大電流的狀況下所產(chǎn)生的。所以D類功放對電源質(zhì)量更為敏感。電源在提供快速變化的電流時不應(yīng)產(chǎn)生振鈴波形或使電壓變化，最好用環(huán)牛變壓器供電，或用開關(guān)電源供電。此外解決EMI的方案是使用LC電源濾波器或磁珠（bead）濾波器以過濾其高頻諧波。中高功率的D類功率放大器因為EMI太強目前采用LC濾波器來解決，小功率則用Bead處理即可，但通常還要配合PCB版圖設(shè)計及零件的擺設(shè)位置。比如，采用D類放大器后，D類放大器接揚聲器的線路不能太長，因為在該線路中都攜帶著高頻大電流，其作用猶如一個天線輻射著高頻電磁信號。有些D類放大器的接線長度僅可支持2cm，做得好的D類放大器則可支持到10cm。 3.3.2 D類功放實例 下面以荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的TDA8922功放芯片為例，對D類功放電路進(jìn)行介紹。 TDA8922是雙聲道、低損耗的D類音頻數(shù)字功率放大器，它的輸出功率為225W。具有如下特點：效率高（可達(dá)90%），工作電壓范圍寬（電源供電12.5V~30V），靜態(tài)電流小（最大靜流不超過75mA），失真低，可用于雙聲道立體聲系統(tǒng)的放大（SE接法，Single-Ended）或單聲道系統(tǒng)的放大（BTL接法，Bridge-Tied Load），雙聲道SE接法的固定增益為30dB，單聲道BTL接法的固定增益為36dB，輸出功率高（典型應(yīng)用時225W），濾波效果好，內(nèi)部的開關(guān)振蕩頻率由外接元件確定（典型應(yīng)用為350kHz），并具有開關(guān)通斷的“咔嗒/噼噗”噪聲抑制，負(fù)載短路的過流保護(hù)，靜電放電保護(hù)，芯片過熱保護(hù)等功能。廣泛應(yīng)用于平板電視、汽車音響、多媒體音響系統(tǒng)和家用高保真音響設(shè)備等。 1．內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能 TDA8922的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.24所示，包含兩個獨立的信號通道和這兩個通道共用的振蕩器與過熱、過流保護(hù)及公共偏置電路。每個信號通道主要包括脈寬調(diào)制和功率開關(guān)放大兩個部分。 圖3.24　 TDA8922內(nèi)部結(jié)構(gòu) （1）脈寬調(diào)制。輸入的模擬音頻信號經(jīng)電壓放大后，與固定頻率的三角波相比較，全部音頻信息被調(diào)制在PWM 信號的寬度變化中。三角波的產(chǎn)生由壓控振蕩器實現(xiàn)，三角波的頻率由7腳外接的RC定時元件確定。比較器是一個帶鎖相環(huán)的脈寬調(diào)制電路，調(diào)制后的電路與功率輸出級的門控電路相連，地線被連接到公共地端。當(dāng)音頻信號幅度大于三角波信號幅度時，比較器輸出高電平，反之，比較器輸出低電平。PWM 信號是一個數(shù)字脈沖信號，其脈寬的變化反映音頻信號的全部信息。脈沖信號的高、低電平控制兩組功率管的通/斷，高/低兩值之間的轉(zhuǎn)換速度決定兩組功率管之間的通/斷的轉(zhuǎn)換時間。電路中采用觸發(fā)器來調(diào)整比較器輸出的波形，通過快速轉(zhuǎn)換使輸出波形得到明顯的改善。 （2）功率開關(guān)放大。功率開關(guān)放大部分由門控電路、高電平與低電平驅(qū)動電路、MOSFET功率管所組成。門控電路用于輸出級的功率開關(guān)管在開關(guān)工作時的死區(qū)校正，防止兩個MOSFET管在交替導(dǎo)通的瞬間的穿透電流所引起的無用功耗，因為在高頻開關(guān)工作時，需要分別將兩個MOSFET管的截止時間提前而將導(dǎo)通時間滯后，防止兩個管子在交替導(dǎo)通的瞬間同時導(dǎo)通而產(chǎn)生貫通電流，這一貫通電流是從正電源到負(fù)電源直通而不流向負(fù)載的。PWM 信號控制著MOSFET功率管的通/斷，驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。開關(guān)功率管集成在數(shù)字功率IC內(nèi)，有利于縮小整個功放的體積，降低成本，提高產(chǎn)品競爭力。在輸出端與高電平驅(qū)動器之間接有自舉電容，用于提高在上管導(dǎo)通期間的高電平驅(qū)動器送到上管柵極的驅(qū)動電平，保證上管能夠充分導(dǎo)通。 （3）工作模式選擇與過熱過流保護(hù)電路。TDA8922芯片中除了每個聲道中的脈寬調(diào)制與功率開關(guān)放大電路外，還有工作模式選擇與過熱保護(hù)與過流保護(hù)。 6腳為工作模式選擇端，當(dāng)6腳外接5V電源時為正常工作模式，此時D類功放各電路正常工作；當(dāng)6腳接地（0V）時為待機狀態(tài)，此時芯片內(nèi)的主電源被切斷，主要電路都不工作，整機靜態(tài)電流極小；當(dāng)6腳電平為電源電壓的一半（約2.5V）時為靜音狀態(tài)，此時各電路都處于工作狀態(tài)，但輸入級音頻電壓放大器的輸出被靜音，無信號輸送到揚聲器而無聲。 過熱保護(hù)與過流保護(hù)是通過芯片溫度檢測和輸出電流檢測來實現(xiàn)的。當(dāng)溫度傳感器檢測到芯片溫度>150 C時，則過熱保護(hù)電路動作，將MOSFET功放級立即關(guān)閉；當(dāng)溫度下降至約130 C時，功放級將重新開始切換至工作狀態(tài)。如果功放輸出端的任一線路短路，則功放輸出的過大電流會被過流檢測電路所檢出，當(dāng)輸出電流超過最大輸出電流4A時，保護(hù)系統(tǒng)會在1μs內(nèi)關(guān)閉功率級，輸出的短路電流被開關(guān)切斷，這種狀態(tài)的功耗極低。其后，每隔100毫秒系統(tǒng)會試圖重新啟動一次，如果負(fù)載仍然短路，該系統(tǒng)會再次立即關(guān)閉輸出電流的通路。 除過熱過流保護(hù)外，芯片內(nèi)還有電源電壓檢測電路，如果電源電壓低于12.5伏，則欠壓保護(hù)電路被激活而使系統(tǒng)關(guān)閉；如果電源電壓超過32伏，則過壓保護(hù)電路會啟動而關(guān)閉功率級。當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常范圍（12.5V~32V）時，系統(tǒng)會重新啟動。 （4）輸出濾波器。輸出濾波器的用途是濾除PWM 信號中的高頻開關(guān)信號和電磁干擾信號, 降低總諧波失真。LPF參數(shù)的選擇與系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和濾波器的類型有關(guān)。音頻信號的頻率在20Hz～20 kHz，而開關(guān)脈沖信號和電磁干擾信號的頻率都遠(yuǎn)大于音頻信號頻率，因此LPF所用的LC元件參數(shù)，可選擇在音頻通帶內(nèi)具有平坦特性的低通濾波器。 TDA8922包含兩個獨立的功率放大通道，這兩個獨立的通道可接成立體聲模式，也可接成單聲道模式。立體聲模式采用SE（Single-Ended）接法，如圖3.24所示，L、R輸入的模擬音頻信號分別送入各自聲道的輸入端，L、R揚聲器分別接在各自聲道輸出端的LPF上，從而構(gòu)成立體聲放音系統(tǒng)；單聲道模式采用平衡橋式（BTL）接法，如圖3.25所示，此時兩個通道的輸入信號的相位相反，揚聲器直接跨接在兩個通道的輸出端，此時揚聲器獲得的功率可增加一倍（6dB）。 圖3.25　TDA8922用于單聲道的BTL接法 TDA8922TH各引腳的功能如表3.2所示。 表3.2　TDA8922各引腳功能 引腳 符號 功能 引腳 符號 功能 1 VSSA2 通道2模擬電路的負(fù)電源供電端 13 PROT 保護(hù)電路用的外接時間常數(shù)電容 2 SGND2 通道2的信號接地端 14 VDDP1 通道1功率輸出級開關(guān)電路的正電源供電端 3 VDDA2 通道2模擬電路的正電源供電端 15 BOOT1 通道1自舉電容 4 IN2－ 通道2音頻輸入負(fù)端 16 OUT1 通道1的PWM信號輸出端 5 IN2+ 通道2音頻輸入正端 17 VSSP1 通道1功率輸出級開關(guān)電路的負(fù)電源供電端 6 MODE 工作模式選擇：待機、靜音、正常工作 18 STABI 內(nèi)部偏置穩(wěn)壓器的外接濾波電容端 7 OSC 振蕩器頻率調(diào)整或跟蹤輸入 19 HW 芯片連接到VSSD引腳 8 IN1+ 通道2音頻輸入正端 20 VSSP2 通道2功率輸出級開關(guān)電路的負(fù)電源供電端 9 IN1－ 通道2音頻輸入負(fù)端 21 OUT2 通道2的PWM信號輸出端 10 VDDA1 通道1模擬電路的正電源供電端 22 BOOT2 通道2自舉電容 11 SGND1 通道1的信號接地端 23 VDDP2 通道2功率輸出級開關(guān)電路的正電源供電端 12 VSSA1 通道1模擬電路的負(fù)電源供電端 24 VSSD 數(shù)字電路的負(fù)電源供電端 2．典型應(yīng)用電路 TDA8922的典型應(yīng)用電路如圖3.26所示。 圖3.26　TDA8922的典型應(yīng)用電路 當(dāng)將TDA8922用于雙聲道立體聲的D類數(shù)字功放時，左、右聲道的模擬音頻信號分別加至輸入端的in1和in2。左、右聲道的揚聲器采用SE接法，分別接在各自聲道功放輸出端的LPF后與地之間，揚聲器的阻抗選用4Ω，此時輸入端的4個開關(guān)的狀態(tài)為：J1和J2處于接通狀態(tài)，J3和J4處于斷開狀態(tài)。兩個聲道各自獨立。 當(dāng)將TDA8922用于單聲道的D類數(shù)字功放時，電路采用平衡橋式接法（BTL）。單聲道模擬音頻信號加在in1（或者in2）端子上，此時輸入端的4個開關(guān)設(shè)置狀態(tài)為：J1和J2處于斷開狀態(tài)，J3和J4處于接通狀態(tài)，兩個聲道輸入端所加的模擬音頻信號的相位正好相反。功放輸出端的揚聲器選用8Ω，直接跨接在雙聲道功放輸出端LPF的兩端，構(gòu)成BTL的接法。 正常工作時，6腳的模式選擇開關(guān)置于“on”位置，即6腳接在5.6V的穩(wěn)壓源上。