D类放大器,D类放大器是什么意思

2013-11-09 14:07:39来源: 互联网 关键字:D类  放大器

D类放大器,D类放大器是什么意思

D类放大器的定义
  通过控制开关单元的ON/OFF,驱动扬声器的放大器称D类放大器。D类放大器首次提出于1958年,近些年已逐渐流行起来。
D类放大器的趋势
  数字放大器改善了音频质量和系统性能。
  D类放大器在过去的几代产品中,已经得到了巨大的发展,系统设计者极大地改善了系统的耐用性,并提高了其音频质量。实际上,对大多数应用者而言,使用这些放大器所带来的好处已经远远超过了它们的不足。
  在传统D类放大器中,用控制器将模拟或数字音频信号在被集成到功率后端设备中的功率MOSFET MOSFET管放大之前,转换成PWM PWM信号。这些放大器效率很高,使用很小的散热器或根本不需要散热器,且降低了对电源输出功率的要求。然而,与传统的A/B类放大器相比,它们本身也存在固有的成本、性能和EMI EMI方面的问题,解决这些问题就是D类放大器的发展新趋势。
  降低EMI
  自从D类放大器诞生以来,由于其自身的轨对轨(rail-to-rail)供电开关特性,而引起的大量辐射EMI,就一直困扰着系统设计者,这将使设备无法通过FCC FCC和CISPR CISPR认证。
  在D类调制器中,通过将音频信号与高频固定频率信号比较,并将结果在固定频率的载波上调制,数字音频信号被转换成了PWM信号。形成的信号是可变脉宽的固定载波频率(通常在几百kHz),然后由高压功率MOSFET对这些PWM信号进行放大,放 大后的PWM信号再通过低通滤波器去掉载频,恢复出原始基带音频信号。
  虽然这种拓扑结构很有效,但它也导致一些不希望的后果,如大量的辐射EMI。由于调制器采用固定频率载波,因此将产生基载波的多次谐波辐射。而且,由于PWM信号自身的开关特性,过冲/下冲和振铃将产生固定比率的高频(10~100MHz的范围)辐射EMI。为了压制辐射EMI,最新一代PWM调制器发展的趋势是采用扩展频谱调制技术。
  扩展频谱调制技术用于在更大的带宽内扩展开关PWM信号的频谱能量,而不改变原始音频的内容。一个改进传统调制器高辐射EMI的有效方法是改变PWM开关信号的两个边沿,如图1所示。信号以载波频率为中心,但任何一个边沿都不是按周期重复的。这不仅维持了固定载波频率,而且由于边沿不是以固定比率跳变的,载波频率上的辐射能量就得到了极大的降低。
  改善音频质量
  和性能优良的A/B类放大器相比,D类放大器的音频性能是很差的,不仅失真大,而且动态范围窄。所以,当前D类放大器的设计者就必须改进其性能。通过集成高性能采样率转换器(SRC)和Δ-Σ处理技术,新一代解决方案使失真(THD+N)得到了更大的改善,而且动态范围也超过了100dB。
  目前,D类放大器的一个噪声源是音频采样时钟的抖动。而时钟通常是由SOC(MPEG解码器和DSP等)产生的,即使很小的抖动也能迅速地影响到常规D类放大器的性能,因为音频时钟是与调制器的输出时钟关联的。
  解决这个问题的一个方法是采用SRC SRC技术。因为SRC使用本地稳定的时钟源来同步数字音频的时钟,例如石英晶体振荡器,所以调制器的输出抖动实际上与其他音频时钟是独立的、不相关的。SRC的另一个优点是无论输入音频的采样率如何波动,其输出开关比率都是固定的,这一点与基于PLL的调制器不同。当音频输入源改变或输入时钟缺失时,SRC也通过消除可听见的噪声改善了系统的耐用性。

通过控制开关单元的ON/OFF,驱动扬声器的放大器称D类放大器。

类放大器具有以下的特征。

D类放大器的特征

高效率

  以前的模拟放大器的效率停留在50%左右,剩下的50%主要作为热量被消耗。D类放大器的效率相当高,达到80~90%。不仅不浪费电源,有效地利用电源,还能得到较大的功率输出。以下是D类放大器和以前的模拟放大器的效率比较图表。可以看出D类放大器明显地高效率。

低发热

  效率高,低发热。以前的高发热模拟放大器,封装大,需要大的散热板,因此需要较大的空间。而D类放大器发热少,能作小型封装。同时,不用散热板,从而能节约空间。以下是D类放大器和以前的模拟放大器的能量损失(发热)比较图表。可以看出D类放大器明显地能量损失(发热)小。

低消耗电力

  D类放大器,效率高发热少,能减少不必要的功率消耗。在使用电池和干电池供电的应用中,可保持长时间持续供电。以下是D类放大器和以前的模拟放大器的消耗电流比较图表。可以看出D类放大器明显地消耗电流少。

D类放大器的操作概要

  以前的模拟放大器和D类放大器的增幅电路,可表示为下图。

模拟放大器的放大

  模拟放大器线性放大输入信号。放大前和放大后波形不变。

D类放大器的放大

  D类放大器通过PWM将输入信号变换为数字脉冲,进行放大。输出数字脉冲信号,用LPF提取音频信号。


  与目前的高端DAC DAC所采用的技术类似,通过集成高阶Δ-Σ处理技术,D类放大器的音频质量也得到了改善。基于Δ-Σ技术的调制器采用可以降低调制误差的内部反馈。通过减小采样误差,调制器可以改善输出失真,从而获得更好的音质。
  降低系统成本 
  为了追求D类放大器更低的成本,设计者在功率放大级采用半桥放大拓扑结构,以达到降低复杂性和减少物料成本的目的。因为半桥结构输出通常是全桥的一半,功率MOSFET和外部滤波器件的数量也就减少一半。这也增加了后端设备单位功率通道数的数量。然而,半桥放大器在输出端也需要一个隔直电容,而且对供电干线上的噪声也是极其敏感的。
  在启动时,隔直流电容必须被充电到偏置点(高压供电干线电压的一半)。如果输出信号没有从地电位上升到偏置点,就会在扬声器中产生很大的“噗”声(开机冲击声)。新型的D类放大器采用预充电电容使启动时扬声器保持无声。
  使扬声器在隔直电容充电时保持无冲击声的方法之一是使用数字电压提升技术,也就是使PWM占空比从非开关状态缓慢增加到50%。这将不会在扬声器中产生较大的“噗”声,但由于MOSFET开关时产生大量的瞬态电流,扬声器也不是没有声音的。
  使扬声器在隔直电容充电时保持无冲击声的另一种方法是模拟电压提升技术。在这种类型的电压提升过程中,一个电流源将电容充电到偏置点。一旦电容两端的电压达到偏置点,电流源就会关闭。
  电源反馈
  由于半桥是单端拓扑结构,就不存在差分全桥拓扑结构中的共模抑制。在一个全桥放大器中,由于放大器的差分输出是从同一个电压源供电的,公共电压源上的噪声将在输出端抵消。在半桥拓扑结构中,放大器供电电源上的任何交流纹波噪声都将直接耦合到输出端。由于半桥拓扑结构对电源供电噪声的敏感,常常需要提供供电抑制反馈(PSR)电路来进行降噪。
  模拟D类放大器有许多本身固有的PSR PSR特性,而完全的数字D类放大器则没有。在目前的数字PSR方案中,通常采用一个外部的ADC来监视放大器的供电电源。
  反馈和噪声抵消处理是在调制器的数字域中进行的。有些制造商仅将这种反馈方法用于补偿那些降低系统性能的从供电干线上耦合进PWM输出端的交流噪声的影响。另外一些制造商也将其用于补偿由于负载变化而引起的直流供电电压的改变(电压降落),例如,低音单元(超重低音扬声器)所需要的快速浪涌电流,或者供电线路的电压波动。交流和直流器件中PSR反馈所带来的优点已经扩展到了全桥放大器,并改善了目前多通道家庭影院放大器中通道间的隔离,在串扰和线路电压改变到达输出之前有效地抵消了它们。
音频放大器背景
  d类放大器首次提出于1958年,近些年已逐渐流行起来。
  音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平,在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。音频频率范围约为20 hz~20 khz,因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应(当驱动频带有限的扬声器时频率范围减小,例如低音扬声器或高音扬声器)。输出功率能力根据应用情况变化范围很宽,从数毫瓦(mw)的耳机,几瓦(w)的电视(tv)或个人计算机(pc)音频,几十瓦的“迷你”家庭音响和汽车音频,到几百瓦和几百瓦以上大功率的家用和商用音响系统,以及剧场或音乐厅音响系统。
  一种音频放大器的直接模拟实现使用晶体管在线性工作方式下产生一个与输入电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高(至少40 db)。如果正向增益是反馈环路的一部分,那么总的环路增益也会很高。经常使用反馈环路,因为高环路增益可以改善性能,抑制由于正向路径中线性误差造成的失真,并且通过增加电源抑制(psr)减少电源噪声。
D类放大器优点
  在传统晶体管放大器中,输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括a类放大器,ab类放大器和b类放大器。与d 类放大器设计相比较,即使是最有效的线性输出级,它们的输出级功耗也很大。这种差别使得d类放大器在许多应用中具有显着的优势,因为低功耗产生热量较少,节省印制电路板(pcb)面积和成本,并且能够延长便携式系统的电池寿命。
D类放大器和功耗(图)
  线性放大器输出级直接连接到扬声器(有些情况下通过电容器连接)。如果输出级使用双极性结型晶体管(bjt),它们通常工作在线性方式下,具有大的集射极电压。输出级也可以用互补金属氧化物半导体(cmos)晶体管实现,如图1所示。
  图1、cmos线性输出级
  注:output stage=输出级
  speaker=扬声器
  ground=地
  功率消耗在所有线性输出级,因为产生输出电压vout的过程中不可避免地会在至少一个输出晶体管内造成非零的ids和vds。功耗大小主要取决于对输出晶体管的偏置方法。
  a 类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流(dc)电流源,能够提供扬声器需要的最大音频电流。a类放大器输出级可以提供优良的音质,但功耗非常大,因为通常有很大的dc偏置电流流过输出级晶体管(这是我们不期望的),而没有提供给扬声器(这是我们期望的)。
  b 类放大器拓扑结构没有dc偏置电流,所以功耗大大减少。其输出晶体管是以推拉方式独立控制,从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流,而低端晶体管吸收负电流。由于只有信号电流流过晶体管,因而减少了输出级功耗。但是b类放大器电路的音质较差,因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差(交越失真)。
  ab 类放大器是a类放大器和b类放大器的组合折衷,它也使用dc偏置电流,但它远小于单纯的a类放大器。小的dc偏置电流足以防止交越失真,从而能提供良好的音质。其功耗介于a类放大器和b类放大器之间,但通常更接近于b类放大器。与b类放大器电路类似,ab类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。
  不幸的是,即使是精心设计ab类放大器也有很大的功耗,因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。由于漏源极之间的电压降很大,所以会产生很大的瞬时功耗ids×vds。d 类放大器由于具有不同的拓扑结构,其功耗远小于上面任何一类放大器。d类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲。这种波形有利于降低功耗,因为当输出晶体管在不导通时具有零电流,并且在导通时具有很低的vds,因而产生较小的功耗ids×vds 。
  图2、d类开环放大器框图
  注:modulator=调制器
  switching output stage=开关输出级
  lossless low-pass filter (lc)=无损低通滤波器(lc)
  speaker =扬声器
  由于大多数音频信号不是脉冲串,因此必须包括一个调制器将音频输入转换为脉冲信号。脉冲的频率成分包括需要的音频信号和与调制过程相关的重要的高频能量。经常在输出级和扬声器之间插入一个低通滤波器以将电磁干扰(emi)减至最小,并且避免以太多的高频能量驱动扬声器。为了保持开关输出级的功耗优点,要求该滤波器是无损的(或接近于无损)。低通滤波器通常采用电容器和电感器,只有扬声器是耗能元件。
  图3. 差分开关输出级和

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关键字:D类  放大器

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