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在音頻放大電路中采用D類放大器提高效率

(發布日期：2006-11-20 8:46:40) 來源：

D類音頻放大器已在電路中被廣泛采用，它和過去人們熟悉的AB類放大器在原理上有很大不同，設計人員必須了解其中的區別才能更好應用在實際設計中。本文將對AB類與D類放大器進行比較，討論D類放大器高效率實現原理，并解釋了輸出為脈寬調制(PWM)波形時還可通過揚聲器聽到正常聲音的原因。

目前在移動電話、平面電視、LCD顯示器以及便攜式游戲設備等消費類電子產品中，已越來越多采用高效率D類放大器，但在很多情況下，設計人員并不明白消費類電子產品內部D類放大器的基本工作情況，必須將原來對AB類或線性放大器的有關知識擴展至D類放大器，對放大器理論進行重新認識。

效率對比

D類放大器比AB類放大器的效率要高很多，圖1顯示了兩類放大器在輸出功率變化時功耗變化情況，圖中將驅動4Ω和8Ω負載的典型AB類放大器與立體聲D類放大器TPA3002D2進行對比。D類放大器可為音頻設計人員帶來兩大好處，如果應用由電池供電，那么電池能夠使用更長的時間，因為放大器浪費的電量會減少；另外如果同時需要較小體積以及較大輸出功率，D類放大器可大幅減少散熱片所占面積甚至取消散熱片。

從圖1可看到，AB類放大器隨著輸出接近最大輸出功率，其效率會不斷提高，但我們還應考慮輸出功率的振幅因數，這與功耗有關，也相當重要。振幅因數是峰值輸出功率與RMS輸出功率之比，即振幅因數=10log(輸出功率峰值/輸出功率RMS)

正弦波的振幅因數為3dB，這意味著對于峰值功率20W的放大器，RMS值將為10W。音頻信號的振幅因數為12～15dB，這是由于音樂是由不同樂器構成，可能生成更大的電壓峰值，如在敲擊樂鼓或彈奏低音吉他時的情況，因此對相同的放大器輸入而言，RMS功率將為1.3W(采用12dB)，也就是說比正弦波要低很多。這意味著當播放音頻信號時，放大器很多時間都會在圖1的低功率區域，這時AB類與D類的效率差別很大。以圖1為例，在1.3W輸出功率上，AB類放大器的功耗為7W，而D類放大器的功耗僅為0.9W。

放大原理

線性放大器為所需輸出電壓提供固定電流，與橋式負載(BTL)AB類放大器中輸出電流相等，圖2A顯示了一個簡化的H橋AB類放大器輸出級結構。

如圖1所示，輸出MOSFET具有不同的電阻，阻值作為放大器輸出電壓的函數而隨時變化，如漏極－源極電阻就將隨輸出電壓變化而變化。從電源通過負載的電流在MOSFET中會產生壓降，將該電流乘以MOSFET的壓降就得到了放大器的主要功耗，MOSFET中的功耗是AB類放大器與D類放大器相比效率不高的主要原因所在。

相比于線性音頻放大器，D類放大器是在給定時間內向負載提供固定量的功率。D類放大器生成PWM信號，使輸出電壓在電源軌上交換，從而在輸出晶體管上產生很小壓降。

D類放大器H橋中，優化的MOSFET在狀態為“ON”時RDS(ON)(漏極－源極電阻)為零，在狀態為“OFF”時RDS(OFF)無限大，這樣D類放大器就可從電源向負載提供等量的功率。由于所有MOSFET都存在一定的RDS(on)以及RDS(off)不可能無限大，會因RDS(on)和RDS(off)產生一定損耗，如圖2B所示，圖中的MOSFET簡化為“ON”或“OFF”開關。

從圖2B可以看到，電流從電源通過最初狀態為“ON”的MOSFET、負載、并通過后面一個狀態為“ON”的MOSFET，MOSFET上只會產生較小壓降。分壓電路由RDS(on)、RDS(off)以及輸出負載或揚聲器RL形成，MOSFET的RDS(ON)極小，因此它上面幾乎沒有壓降；而狀態為“OFF”的MOSFET的RDS(off)值很大，因此幾乎沒有電流通過它們。同AB類放大器相比這里僅有極小的功率被MOSFET消耗掉，因此D類放大器效率是非常高的。

此外，這些輸出MOSFET開關頻率通常約為250kHz，之所以采用該頻率是為了減小放大器的總諧波失真(THD)。如果放大器設置在更低的頻率上，所得的波形將導致較差的THD；而如果開關頻率上升，則因開關期間損耗上升會降低放大器的效率。250kHz開關頻率是THD和效率之間一個很好的均衡。

D類放大器輸出頻率為250kHz，這將形成如圖4所示的波形。請注意，有的調制使用揚聲器電感器作為存儲元素，往往不再需要較大的LC過濾器。

圖5顯示了整個負載上的差動信號。開關信號并不是音頻信號，但耳朵實際上是一個低通濾波器，會自然過濾掉所有高于22kHz的頻率。耳朵不能聽出高于22kHz的頻率，所以聽到的將只有音頻信號。

一般說來，D類放大器都作為整個系統的一部分進行設計，放大器的開關性質會導致對系統其它組件形成EMI干擾，因此我們可能還需要一些更多的過濾。就TI帶有新式調制方案的5V D類放大器系列而言(如TPA2000D系列)，如果從放大器到揚聲器的線徑較短，那么無需輸出過濾器即可使用。在實驗室測試中，揚聲器線長在10厘米左右時，TPA2005D1不用屏蔽就能通過FCC和CE對輻射標準的要求，但是對于像TPA3000D系列具有更高電壓的D類放大器而言，通常都需要在所有應用中采用鐵氧體磁珠過濾器以減小電磁干擾。

當設計不用LC過濾器就無法通過輻射標準，且敏感電路頻率高于1MHz時，可使用鐵氧體磁珠過濾器。這對那些必須通過FCC和CE的電路來說是很好的選擇，因為這些電路只檢測高于30MHz的電磁輻射，而鐵氧體磁珠過濾器在衰減大于30MHz高頻段時的表現要好于LC過濾器。而且選擇的鐵氧體磁珠過濾器在高頻帶有應有較高阻抗而DC電阻極低，此外還應確保額定電流值為所需音頻輸出電流的兩倍。

--摘自《電子工程專輯》

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