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              D類音頻功放IC的原理及特點

              點擊次數:1040發布日期:2021-09-01

                D類音頻功放IC的原理及特點

                     1 D類音頻功放IC系統結構

                D類放大器由積分移相、PWM調制模塊、G柵級驅動、開關MOSFET電路、Logic輔助、輸出濾波、負反饋、保護電路等部分組成。流程上首先將模擬輸入信號調制成PWM方波信號,經過調制的PWM信號通過驅動電路驅動功率輸出級,然后通過低通濾波濾除高頻載波信號,原始信號被恢復,驅動揚聲器發聲,如圖1所示。

               2 調制級(PWM-Modulation)

                調制級就是A/D轉換,對輸入模擬音頻信號采樣,形成高低電平形式數字PWM信號。圖2中,比較器同相輸入端接音頻信號源,反向端接功放內部時鐘產生的三角波信號。在音頻輸入端信號電平高于三角波信號時,比較器輸出高電平VH,反之,輸出低電平VL,并將輸入正弦波信號轉換為寬度隨正弦波幅度變化的PWM波。這是D類功放核心之一,必須要求三角波線性度好,振蕩頻率穩定,比較器精度高,速度快,產生的PWM方波上升、下降沿陡峭,深入調制措施參見文獻[2]。

                3 全橋輸出級

                輸出級是開關型放大器,輸出擺幅為VCC,電路結構如圖3所示。將MOSFET等效為理想開關,關斷時,導通電流為零,無功率消耗;導通時,兩端電壓依然趨近為零,雖有電流存在,但功耗仍趨近零;整個工作周期,MOSFET基本無功率消耗,所以理論上D類功放的轉換效率可接近100%,但考慮輔助電路功耗及MOSFET傳導損耗,整體轉換效率一般可達90%左右。因為轉換效率很高,所以芯片本身消耗的熱能小,溫升也才很小,完全可以不考慮散熱不良,因此被稱為綠色能效D類功放。

                對全橋,進一步減小導通損耗,要使MOSFET漏源的導通電阻RON盡量小。選取低開關頻率和柵源電容小的MOSFET,加強前置驅動器的驅動能力。

                4 LPF低通濾波級

                LPF濾波器可消除PWM信號中電磁干擾和開關信號,提高效率,降低諧波失真,直接影響放大器帶寬和THD,必須設置合適截止頻率和濾波器滾降系數,以保證音頻質量。對于視聽產品,20 Hz~20 kHz為可聽聲;低于20 Hz為次聲;高于20 kHz為超聲。應用中一般設置截止頻率為30 kHz,這個頻率越低,信號帶寬越窄,但過低會損傷信號質量,過高會有噪聲混入。常用LPF濾波器一般有巴特沃思濾波器、切比雪夫濾波器、考爾濾波器三種。巴特沃思濾波器在通帶BW內最大平坦幅度特性好,易實現,因此視聽產品多采用等效內阻小,輸出功率大的LC二階巴特沃思濾波器如圖4所示。

                5 負反饋

                負反饋是LPF電路,將檢測到的輸出級音頻成分反饋到輸入級,與輸入信號比較,對輸出信號進行補償、校正、噪聲整形,以此改善功放線性度,降低電源中紋波(電源抑制比,PSRR)。負反饋可減小通帶內因脈沖寬度調制、輸出級和電源電壓變化而產生的噪聲,使輸出PWM中低頻成分總能與輸入信號保持一致,以得到很好的THD,使聲音更加豐富精確。

                6 功耗效率

                D類效率在THD<7%情況下,可達85%以上效率,遠高于普及使用的最大理論效率78.5%的線性功放。根本原因在于輸出級MOSFET完全工作在開關狀態。理論上,D類功放效率為:

                假設D類功放MOSFET導通電阻為RON,所有其他無源電阻為RP,濾波器電阻為RF,負載電阻為RL,則不考慮開關損耗的效率為:

                式中:fOSC是振蕩器頻率;tON和tOFF分別是MOSFET開、關頻率。此時效率為:

                由上述公式得知,D類功放中負載RL,相對其他電阻,比值越大效率越高;MOSFET作為續流開關,所消耗的功率幾乎等于MOSFET導通阻抗上I2RON損耗和靜態電流總和,相比較輸出到負載的功率幾乎可忽略。所以,其效率遠高于線性功放,如圖5所示。非常適應現今綠色節能的要求,適合被平板等數字視聽產品規模使用。

               

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