D类放大:更高的体积与用电效益

2012-10-21 15:07:15来源: 互联网

A、B类放大电路是真正的模拟放大电路,只是其效率相对较低,分别为50%和78.5%。特别在作为功放时,效率的高低直接影响到电源和功放级的散热器体积。而D类放大电路为了提高效率,采用了调制开关和选频滤波技术,使放大电路的效率提高到90%以上,因而从晶体管工作区域来看实际是开关状态的。

  D类放大电路有电压开关型和电流开关型两种,要讲清楚D类放大电路工作原理,并非三言两语所能为之。这里简单说一下D类功放设计步骤:

  1。考虑工作频率;

  2。确定输出功率;

  3。工作可靠性设计,主要考虑附加保护电路设计;

  4。供电方式和调制问题。

  一、A类(甲类)放大器,是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。 这种放大器,由于避免了器件开关所产生的非线性,只要偏置和动态范围控制得当,仅从失真的角度来看,可认为它是一种良好的线性放大器。 A类,它本质上是一个单独的射极跟随器,并带有一个有源发射极负载,以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时,需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。

  二、B类(乙类)放大器,是指器件导通时间为50%的一种工作类别。这类放大器可以说是最为流行的一种放大器,也许目前所生产的放大器有99% 是属于这一类。

  三、D类(丁类)放大器,这类放大器,其特点是断续地转换器件的开通,其频率超过音频,可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平,这种情况被称为脉宽调制(PWM),其效率在理论上来说是很高的。但是,实际困难还是非常大的,因为200kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚;从失真的角度来看,为保证采样频率的有效性,必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声 器之间,以消除绝大部分的射频成分,这至少需要4个电感(考虑立体声), 成本自然不会低。此外,表现在频响方面,它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应

  为何今日会盛行D类放大器呢?

  在此我们不再详述电路的细节运作原理,单就结果特性来说明,A类放大具有最佳的信号传真性(电压波形几乎无失真),但却相当耗用电能,一般来说电能利用率只有20%∼30%,举例而言,倘若供应100W电力给A类放大机(扩大机),最后真正输出到喇叭发声功率的只有25W,其余的75W统统是放大系统运作过程中的耗用,而且此一高耗能也会产生高废热,需要在放大晶体管上配装厚高的散热片来帮助散热。虽然A类电能利用率差,但信号完整是其可取之处,所以依然用在高档专业音响中,发烧友为了享受无失真的完美音质,不会太在乎多耗3倍的电能。

  至于B类放大,其电能利用率较高,理想上可至75%,但却有交越失真的问题,上下波形中有一者会遭部分截断,而无法全波完整放大,如此若用在音响系统就会有明显的声音粗糙变质。至于C类放大比B类更糟,上下两波形都失真,因此更无法用于传真性的放大应用中,多半只用在无线通信的RF射频系统上。

  既然A类波形佳、用电高,而B类却是用电佳、波形稍差(介于A类与C类间),因此人们有了截补的想法,同时用上2个B类放大电路,将两者所剩的完整半波予以合并,以此达到与A类相同的全波效果,此即是所谓的AB类放大(运作电路来自2个B类,呈现效果却近A类),且用电上依然低于A类,若要同样实现一个输出放大达25W的系统,A类整体需要100W,AB类约只要66W,如此连散热片的体积也可以因此精简。今日绝大多数的消费性音响及视听设备都是用AB类。

  D类放大:争取更高的体积与用电效益

  很明显的,AB类是兼顾用电(也包含散热、体积)要求及音质要求的妥协性设计,而本文所要谈论的D类也是如此,只是这次更加偏重在电路体积与电能利用率。

  在此我们要稍微详细地说明D类放大的原理,与ABC三类不同的,D类不是利用功率晶体管的线性工作区间特性来放大,不是用模拟原理来放大,而是用上电压比较、脉宽调变等技术来放大,也因此有人称D类放大为数字式功率放大或数字功放。

  首先,D类放大会将原始的模拟信号波形,与比它更高频率的三角波(或锯齿波)进行电压比较(透过电压比较器),如此便可将以振幅高低性表示的信号调变成以脉波宽窄性表示的信号,此即是脉宽调变(Pulse Width Modulation;PWM),之后将PWM信号输出到MOSFET场效晶体管上的闸极,以控制晶体管的导通、关闭,同时也在这个阶段进行信号功率放大,最后MOSFET的输出端连接LC(电感、电容)低通滤波电路,将PWM的载波滤除,使原始信号波形重新呈现。

  了解原理后,再进一步去了解D类方式所呈现的优缺点,缺点是以调变程序所形成的放大必然与原始信号有些出入,但在一般消费性的音乐播放上依然可被接受,相对的D类放大提供了更多的益处,主要是极高的电能利用率,纯理论上是100%运用,实务上也经常在80%、90%的层级,比AB类更佳,也因此可再降低散热片的倚赖性,甚至在低功率时可完全将散热片舍弃。此外连同其相关组件所需占用的电路面积、体积,以及电路简易性等,亦都是D类较优异。

  更简单说,D类与AB类一样是妥协性的设计,在仍不错的音质下进行大幅的用电、体积精省,这正是今日掌上型、行动式、手持式装置所最钟意的特质,现在绝大多数的手机、数字随身听、口袋电视、PDA、PMP等,其音效部分都实行D类放大器。

  至此各位可能会说:我没有设计手持装置,不需要讲究用电及电路体积,所以依然可用AB类放大器。但其实非行动运用也逐渐有实行D类放大器的趋势,过去传统模拟映像管电视有很大的体积,其机内仍有宽裕空间可设计音效电路,散热及用电也与映像管系统一并考虑,然而如今数字平面液晶电视、平面喇叭盛行,力求短小轻薄与低用电,这时就难以坚持续用AB类放大器,一样需要考虑用D类放大器。  同样的,车内音响及车用娱乐系统也是如此,车用电瓶的电力虽多于掌上型装置的电池,但毕竟少于家用供电插座,加上车体与内装空间的限制,一样有用电与体积的精省压力,这时也会考虑用D类放大器。

  事实上市场也是如此发展,最迫切需要D类放大器的是手持装置,因此初期的D类放大器皆属低功率,即1W∼3W的数瓦层级,之后开始有中功率(10W∼30W的数十瓦层级)的出现,而今更是达100W∼200W的高功率,D类放大器正日渐普遍,不再只是行动设计需要,日益讲究省电、短小轻薄的消费性产品都有需求。

关键字:D类  放大  电效益

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1021/article_17147.html
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