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1、 D 类放大器原理详解及应用设计指南 更新于 2009-09-01 17:48:41 A 类 AB 类 B 类放大器 D 类放大器 CMOS BJT AD1994 D 类放大器早在 1958 年就被人们提出，近年来，其应用越来越普及。D 类放大器是什么？它们与其它种类的放大器相比怎么样？为什么音频应用钟爱 D 类放大器？设计和应用一款优良的 D 类音频放大器需要怎么做？下面本文尝试回答所有这些问题。 音频放大器基础音频放大器基础 音频放大器的目标是在产生声音的输出单元再生输入的音频信号，要求输出具有期望的音量和功率电平，再生过程忠实、有效且失真低，音频的频率范围 从20Hz 到 20kHz，所
2、以，放大器必须在这个频段具有良好的频率响应(如果驱动带限扬声器，如重低音或高音扬声器则较差)。功率性能随应用的不同差异 很大，从耳机的毫瓦级到电视或个人电脑的几瓦级，乃至于微型家庭立体声和汽车音响的几十瓦级，更为强大的家庭和商用音响系统则为几百瓦级，为的是让影院或 礼堂充满声音。 音频放大器的一种直接模拟实现方案是利用工作于线性模式的三极管来创建一个输出电压，该电压完全复制输入电压。正向电压增益通常非常高(至少 40dB)。如果正向增益是反馈环路的一部分，整个环路增益也将很高。常常采用反馈的原因在于高环路增益改善性能压缩因正向路径的非线性产生的失真， 并通过提高电源抑制比(PSR)来降低电源噪
3、声。 D 类放大器的优势类放大器的优势 在传统的三极管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的三极管。音频系统有许多可能的实现方案，如 A 类、AB 类和 B 类放大器，它们与 D 类放 大器设计相比，甚至在最有效的线性输出级，输出级功耗也很大。这种差异让 D 类放大器在许多应用中具有重要的优势，因为较低的功耗产生较少的热量，节省电路 板空间和成本，并延长便携式系统中的电池寿命。 线性放大器、线性放大器、D 类放大器和功耗类放大器和功耗 线性放大器的输出级被直接连接到扬声器(在某些情况下通过电容)。如果在输出级中采用了双极结三极管(BJT)，它们通常工作在线性模式，集-射极之间的电压较大。输
4、出级也可能采用 MOS 三极管来实现，如图 1 所示。 图 1：CMOS 线性输出级 功率被耗散在所有线性输出级，因为生成 VOUT的过程不可避免地在至少一个输出三极管上造成非零的 IDS和 VDS。功耗的大小高度依赖于输出三极管所采用的偏置方法。 A 类放大器的拓扑采用其中一只三极管作为直流电流源，从而为扬声器提供所需要的最大音频电流。采用 A 类输出级有可能获得良好的音质，但是，功耗 过大，因为在输出级的三极管中通常流过大的直流偏置电流(这是我们不希望的)，而这些电流却没有流过扬声器(这是我们希望的)。 B 类放大器拓扑消除了直流偏置电流且极大地降低了功耗，其输出三极管以推拉方式分别受到控
5、制，让 MH 器件为扬声器提供正向电流，而 ML 器件则吸 收反向电流。这就降低了输出级的功耗，只有信号电流流过两个三极管。B 类电路的音质稍差，因为当输出电流过零时存在非线性行为且三极管此时正好在导通和关 闭两个状态之间转换。 AB 类放大器混合折衷了 A 类和 B 类放大器的优势，采用了一定的直流偏置电流，但是，比纯 A 类设计要小。小的直流偏置足以防止出现过零失真，从而 获得良好的音质。功耗尽管在 A 类和 B 类放大器之间，通常比较接近 B 类放大器。为此，需要采取一些控制措施类似于 B 类放大电路，以便让 AB 类放大器提供或 吸收大的输出电流。 不幸的是，即使设计得非常好的 AB
6、类放大器也存在很大的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远远小于正电源轨或大于负电源轨。因此，大的漏-源电压降会产生很大的 IDS - VDS瞬时功耗。 由于采用不同的拓扑(图 2)，D 类放大器比上述任何一类放大器的功耗都要小得多。其输出级在正负电源之间切换，因此，产生一串电压脉冲。这种波形对于降低功耗有好处，因为在不切换时输出三极管的电流为零；而当导通电流时，VDS 较小，因此，给出的 IDS - VDS更小。 图 2：D 类开环放大器的方框图 因为大多数音频信号不是脉冲串，所以，要采用调制器把音频信号转换为脉冲。脉冲的频率成分包括需要的音频信号和与调制过程有关的大量高频能量。 在输出级和扬
7、声器之间通常要插入一个低通滤波器以最小化电磁干扰，并避免以太多的高频能量来驱动扬声器。要采用无损耗的滤波器(图 3)，以保持开关输出级 功耗低的优势。滤波器通常采用电容和电感构成，扬声器是唯一耗能的元件。 图 3：差分开关输出级和 LC 低通滤波器 图 4 给出了音频输出为正弦波信号的情况下，A 类、B 类和 D 类放大器的理想输出级功耗(PDISS)与传递到扬声器上的功率(PLOAD)的比较，其中 D 类放大器采用模拟器件公司的 AD1994 D 类放大器。功率的数值被归一化为功率电平 PLOAD max，其中，正弦信号被压缩到足以引起 10%的总谐波失真(THD)。垂直线表示开始压缩时的
8、PLOAD。 图 4：A 类、B 类和 D 类放大器输出级的功耗比较 由此可见，在宽的负载范围内存在巨大的功耗差。在开始压缩时，D 类输出级的功耗大约比 B 类的输出级小 2.5 倍，而比 A 类小 27 倍。注意：A 类输出级消耗的功率比传递给扬声器的功率要更大这是采用大的直流偏置电流的结果。 在压缩开始时，A 类放大器的 Eff = 25%；B 类放大器的 Eff =78.5%；D 类放大器的 Eff =90%(见图 5)。这些最佳情况的 A 类和 B 类放大器常常被教科书所引用。 图 5：A 类、B 类和 D 类放大器的效率比较 功耗和效率的差异在中等功率电平处加大。这一点对于音频是重要
9、的，因为长期平均高声音乐的电平要比瞬时电平接近 PLOAD max低得多(小 5 到 20 倍，取决于音乐的类型)。因此，对于音频放大器，PLOAD = 0.1 - PLOAD max是合理的平均功率电平，在这一点可以评估 PDISS。在该电平，D 类输出级的功耗比 B 类的功耗小 9 倍，比 A 类的小 107 倍。 对于具有 10-W PLOAD max 的音频放大器，1W 的 PLOAD可以被认为是现实的听音电 平。在这个条件下，282 mW 被消耗在 D 类的输出级，而 B 类和 A 类的输出级则分别要消耗 2.53 W 和 30.2 W。在这种情形下，D 类的效率被从较高功率的 90
10、%减少到了 78%。但是，即使 78%也比 B 类和 A 类放大器分别 28%和 3%的效率要高得多。 这些差异对系统设计有重要的影响。对于 1W 以上的功率电平，线性输出级的过多功耗需要很强的冷却措施以避免无法接受的过热，通常在放大器上要采 用大块金属板作为散热片或采用风扇吹空气来带走热量。如果放大器以集成电路形式实现，那就需要采用大块和昂贵的热增强封装以便于热的传递。这些考虑在诸如 平板电视和汽车音响这样的消费产品中是繁重的，这些产品的空间非常宝贵，市场上呈现向有限的空间中添加更多功能的趋势。 对于小于 1W 的功率电平，解决浪费的功率问题比解决热生成问题更为困难。如果采用电池供电，线性输
11、出级比 D 类放大器更快地耗尽电池。在上述的实 例中，D 类输出级消耗的电源电流比 B 类小 2.8 倍，比 A 类小 23.6 倍，因此，导致蜂窝电话、PDA 和 MP3 播放器之类产品的电池寿命差异很大。 为了简化起见，迄今为止的分析都集中在放大器的输出级。然而，如果考虑到放大器系统中的所有功耗源，在低输出功率电平，线性放大器比 D 类放大器 更好。原因在于：在低电平生成和调制开关波形所需要的功率很大。因此，设计优良的 AB类放大器的整个系统的静态功耗能够跟 D 类放大器媲美。然而，在较高的 输出功率范围内，D 类放大器的功耗毫无疑问是无与伦比的。 下一部分将探讨 D 类放大器的端接、差分
12、和单端端接方法。 D 类放大器术语以及差分方式与单端方式的比较类放大器术语以及差分方式与单端方式的比较 下图展示的是出 D 类放大器中输出晶体管和 LC 滤波器的差分实现。 这个 H 桥有两个半桥开关电路，这两个开关电路为滤波器提供相反极性的脉冲，其中滤波器由两个电感器、两个电容器和扬声器组成。每个半桥含有两个 输出晶体管，其中一个连接到正电源的高端晶体管 MH，另一个则连接到负电源的低端晶体管 ML。图 3 中展示的是高端 pMOS 晶体管。高端 nMOS 晶体管被经 常用来减小尺寸和电容，但需要特殊的栅极驱动方法对之进行控制。 全 H 桥电路一般采用单电源(VDD)供电，接地端用于接负电源
13、端(VSS)。对于给定的 VDD和 VSS，H 桥电路的差分特性使它提供的输出信号能达到单端方式输出信号的两倍，而输出功率则是单端方式的四倍。半桥电路可由双极性电源或单极性电源供电，但单电源供电会对给扬声器产生一个有潜在危害的直流偏置电压DD/2，除非加一个隔直电容器。 LC 滤波器上的大电感器电流可以激励半桥电路的电源电压总线超过其标定值。在 VDD和 VSS之间加大去耦电容器可以限制瞬变 dv/dt。全桥电路不受总线激励的影响，因为电感器电流从一个半桥流入，从另一个半桥流出，从而使本地电流环路对电源干扰极小。 音频音频 D 类放大器设计中必须考虑的要素类放大器设计中必须考虑的要素 D 类放
14、大器的低功耗优点使它被广泛用于音频应用中，但对设计人员来说，还有一些重要问题需要考虑，包括： 输出晶体管尺寸选择； 输出级保护； 音质； 调制方法； EMI ； LC 滤波器设计； 系统成本。 输出晶体管尺寸选择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 的情况下，要确保较小的 VDS，就要求输出晶体管的导通电阻(RON)很小(一般为0.10.2)。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，而 f 则是开关频率。如果电容或频率太高，“开关损耗”就会过大，所以这
15、里有一个实际的上限。因此，在选择晶体管尺寸时，必须在降低传导期间 IDS - VDS损耗与降低开关损耗之间做一个权衡。在高输出功率情况下，功耗和效率由传导损耗决着，而在低输出功率情况下，功耗则主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其产品的 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。 输出级保护输出级保护 必须对输出级加以保护，以使其免受各种潜在危害： 过热：D 类放大器的输出级功耗低于线性放大器的输出级功耗，但如果它被迫长期处于极高功率状态，仍会对输出晶体管构成危害。为防止过热危险，必 须采用温度监视控制电路。在简单的保护方案中，当片内传感器测量的温
16、度超过热关断安全阈值时，输出级会被关断，并且一直保持关断状态直到冷却。除了提供简 单的有关温度是否已经超过关断阈值的二进制指示，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静音。 输出晶体管过流：输出级和扬声器端若能正确连接，输出晶体管很容易就能实现低导通电阻状态，但如果这些结点不慎与另一个结点或正、负电源短路， 就会产生巨大的电流。如果没有查出来，这个大电流会破坏晶体管或外围电路。因此，必须采用电流检测输出晶体管保护电路。在简单保护方案中，输出级会在输出 电流超过安全阈值时关断。而在复杂方案中，则是由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。在该方案中，如果限流保护无效，就只能强制关断了。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：只
