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[音频功率放大器] D 类音频功放 IC 的原理及特点 2010-12-29 23:10:12| 分类： 默认分类 | 标签：效率 功放 mosfet 音频 信号 |字号 订阅D 类音频功放 IC 的原理及特点1 D 类音频功放 IC 系统结构D 类放大器由积分移相、PWM 调制模块、G 栅级驱动、开关MOSFET 电路、Logic 辅助、输出滤波、负反馈、保护电路等部分组成流程上首先将模拟输入信号调制成 PWM 方波信号，经过调制的 PWM 信号通过驱动电路驱动功率输出级，然后通过低通滤波滤除高频载波信号，原始信号被恢复，驱动扬声器发声，如图 1 所示2 调制级(PWM-Modulation)调制级就是 A／D 转换，对输入模拟音频信号采样，形成高低电平形式数字 PWM 信号图 2 中，比较器同相输入端接音频信号源，反向端接功放内部时钟产生的三角波信号在音频输入端信号电平高于三角波信号时，比较器输出高电平 VH，反之，输出低电平 VL，并将输入正弦波信号转换为宽度随正弦波幅度变化的 PWM 波这是 D 类功放核心之一，必须要求三角波线性度好，振荡频率稳定，比较器精度高，速度快，产生的 PWM 方波上升、下降沿陡峭，深入调制措施参见文献[2]。

3 全桥输出级输出级是开关型放大器，输出摆幅为 VCC，电路结构如图 3 所示将MOSFET 等效为理想开关，关断时，导通电流为零，无功率消耗；导通时，两端电压依然趋近为零，虽有电流存在，但功耗仍趋近零；整个工作周期，MOSFET 基本无功率消耗，所以理论上 D 类功放的转换效率可接近 100％，但考虑辅助电路功耗及 MOSFET 传导损耗，整体转换效率一般可达 90％左右因为转换效率很高，所以芯片本身消耗的热能小，温升也才很小，完全可以不考虑散热不良，因此被称为绿色能效 D 类功放　　对全桥,进一步减小导通损耗，要使 MOSFET 漏源的导通电阻 RON尽量小选取低开关频率和栅源电容小的 MOSFET，加强前置驱动器的驱动能力4 LPF 低通滤波级LPF 滤波器可消除 PWM 信号中电磁干扰和开关信号，提高效率，降低谐波失真，直接影响放大器带宽和 THD，必须设置合适截止频率和滤波器滚降系数，以保证音频质量对于视听产品，20 Hz～20 kHz 为可听声；低于 20 Hz 为次声；高于 20 kHz 为超声应用中一般设置截止频率为 30 kHz，这个频率越低，信号带宽越窄，但过低会损伤信号质量，过高会有噪声混入。

常用LPF 滤波器一般有巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器、考尔滤波器三种巴特沃思滤波器在通带 BW 内最大平坦幅度特性好，易实现，因此视听产品多采用等效内阻小，输出功率大的 LC 二阶巴特沃思滤波器如图 4 所示5 负反馈负反馈是 LPF 电路，将检测到的输出级音频成分反馈到输入级，与输入信号比较，对输出信号进行补偿、校正、噪声整形，以此改善功放线性度，降低电源中纹波( 电源抑制比，PSRR)负反馈可减小通带内因脉冲宽度调制、输出级和电源电压变化而产生的噪声，使输出 PWM 中低频成分总能与输入信号保持一致，以得到很好的 THD，使声音更加丰富精确6 功耗效率 分析D 类效率在 THD<7％情况下，可达 85％以上效率，远高于普及使用的最大理论效率 78.5％的线性功放根本原因在于输出级 MOSFET 完全工作在开关状态理论上，D 类功放效率为：　　假设 D 类功放 MOSFET 导通电阻为 RON，所有其他无源电阻为RP，滤波器电阻为 RF，负载电阻为 RL，则不考虑开关损耗的效率为：式中：fOSC 是振荡器频率；tON 和 tOFF 分别是 MOSFET 开、关频率此时效率为：由上述公式得知，D 类功放中负载 RL，相对其他电阻，比值越大效率越高；MOSFET 作为续流开关，所消耗的功率几乎等于 MOSFET 导通阻抗上I2RON 损耗和静态电流总和，相比较输出到负载的功率几乎可忽略。

所以，其效率远高于线性功放，如图 5 所示非常适应现今绿色节能的要求，适合被平板等数字视听产品规模使用。