深层解析D类放大器

hifi · 发表于 2005-4-5 05:07:00

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什么是D类放大器―工作原理

D类放大器本质上属于一类开关功率放大器或PWM功率放大器。目前有很多种功率放大器，本文主要介绍以下几类功率放大器：

A 类-------A类放大器在整个周期内都处在导通状态，换言之，总有偏置电流流过输出器件。这种结构的失真最小，基本是线形的，但效率也最低，约为20％。这种设计很典型，不需要高/低端输出器件补偿。

B 类-------这类功放和A类功率放大器刚好相反。其输出器件仅只导通半个正弦波的周期(一个导通正半周，另一个导通负半周)，换言之，如果没有输入信号，输出器件就不会有电流流过。这类功放的效率很明显地要优越于A类，大约在5 0％，但它存在交越失真等非线性问题，主要是因为开启和关闭其它器件需要花费时间。

A B类-------AB类放大器结合了上述两种放大器的优点，也是目前普遍采用的的一类功率放大器。其所用的两个器件可以同时导通，但在交越点仅有导通较短时间。因此每个器件导通时间多于半个周期，但又少于整个周期，克服了B类放大器的非线性失真问题和A类放大器效率低的缺点。A B类放大器的效率可达到50％。

D类-------上文有提到D类放大器是一种开关或PWM功放。我们将重点说明这类功放，在这种功放中，器件要么完全导通，要么完全关闭，大幅度减少了输出器件的功耗。效率可高达90～9 5％。音频信号用来调制PWM载波信号和驱动输出器件，最后一级为用于过滤高频PWM载波频率以分离出音频信号的低通滤波器。

上述A,B 和AB类放大器被定义为线性放大器。我们将在下个部分讨论线性放大器和D类放大器的不同。线性功放的原理框图如图1所示。在线性放大器中，信号总是模拟信号，输出晶体管作为线性调节器用来调整输出电压。因输出器件两端存在电压降，从而使功放效率降低。D类放大器有很多种不同的形式，有些为数字输入式，有些为模拟输入式。我们将集中讨论模拟输入式。

图 1 D类放大器模块图

图l所示为是半桥D类放大器的基本框图及放大器每一级的波形。电路将输出信号反馈至输入端，以补偿总线电压的波动。

D 类放大器的工作原理。D 类放大器的工作原理和PWM电源相似(稍后有模拟功放的示息图)，假设输入信号为一个标准的音频信号-----频率范围在20Hz~20kHz的典型正弦波。如图2a所示，将这个音频信号与高频三角波或锯齿波相比较产生一个PWM信号。将这个PWM信号用于驱动功率级产生放大的数字信号，最后采用低通滤波器过滤PWM载波，还原出正弦音频信号（见图2）。
图2 D类放大器波形图

线性和D类放大器的拓扑结构对比

在这部分我们将讨论线性放大器(A 类和A B类)和D类音频功率放大器的不同之处。两者主要不同在效率。这也是当初开发D类放大器的主要原因。线性放大器线性很好但效率也很低，功率约为50％，而D类放大器的效率很高，在实际使用中可高达90％。图3对线性放大器和D类放大器的典型效率曲线进行了比较。

图3 线性和D类放大效率

增益---线性放大器的增益不会受总线电压影响而变化，而D类放大器的增益是和总线电压成一定比例。这就意味着D类放大器的电源抗扰比（PSRR）为0dB，而线性放大器的PSRR就很好。D类放大器普通采用反馈来补偿总线电压的波动。

能量流向---在线性放大器中，电流是从电源流向负载，在全桥D类放大器中也是如此。而半桥D类放大器则不同，因其电流可以双向流动从而导致“总线电压上升”这一现象，这样会造成总线电容被从负载至电源方向反向加载的能量充电。这种情况主要发生在低频，如低于l00H Z。

模拟同步降压转换器

可对D类放大器和同步降压转换器进行简单模拟，两者的拓扑原理在本质上完全一致，如图4所示。

图4 D类放大器拓扑元转化

这两个电路的不同之处在于同频降压变换器所用的参考信号是来自反馈电路的缓慢变化信号（稳定电压），而D类放大器所用的参考信号则是一个不断变化的音频信号。也就是说，同步降压转换器的占空比是相对稳定的，而D类放大器的占空比是波动的，其平均占空比为50%。

在同步降压转换器中，负载电流的方向总是朝着负载。但是在D类放大器中，其电流是双方向的。

最后，同频降压转换器和D类放大器对MOSFET的优化方式不同。同步降压转换器对高端和低端MOSFET采用不同优化方式-----通过降低 RDS(on)则可延长占空比，降低RDS(on)则可缩短占空比。而D类放大器高/低端的两个MOSFET采用相同的优化方式，具有相同的 Rds(on)。

MOSFET中的功率损耗

线性放大器和D类放大器的电源开关损耗截然不同。首先看AB类线性放大器的损耗，其定义式如下：

其中，K是总线电压与输出电压的比率。

线性功放功率器件损耗，可以简化如下：

需要说明的是功率损耗与输出器件参数无关。图5说明了功率损耗和K之间的关系。

图3 功率损耗和K之间的关系

我们再看D类放大器的损耗。D类放大器输出器件的总能量损耗定义如下：

Psw为开关损耗,计算公式计如下：

Pcond为传导损耗，计算公式计如下:

Pgd为栅极驱动损耗，计算公式计如下:

从以上公式可以看出，D类放大器的输出损耗是由器件的参数决定。可通过Qg

Rds(on)、 Coss和tf参数的控制，优化得到最有效的器件，图6为D类放大器的功耗和K的函数关系。

图6 D类放大器的功耗和K的函数关系

与传统A B类放大器相似，D类放大器可以归类成两种拓扑，分别是半桥和全桥结构。每种拓扑都各有利弊。简而言之，半桥结构简单，而全桥的音频性能上更好一些。因为全桥拓扑需要用到两个半桥功放，所以需要更多元器件。尽管如此，桥拓扑的固有差分输出结构可像在AB 类功放一样消除谐波失真和直流偏置。全桥拓扑允许用更好的PWM调制方案，如通过量化信号而使误差降低的三级PWM调制。

1314 · 发表于 2005-4-10 03:01:00

支持，我收藏了，谢谢楼主啊

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