晶体管放大器脉冲适用消费电子的三电平H桥输出D类放大器

适用消费电子的三电平H桥输出D类放大器

时间:2011年12月02日
音频功率放大器无所不在,有音乐响起的地方就会有音频放大器的身影,一代代的电子工程师在这个领域辛勤耕耘撒播智慧。音频放大器是要以一定的音量和功率在扬声器或耳机上真实 半导体企业业务NXP副总裁:在细分市场确立领导地位是关键平板电脑产品用户体验推动谷歌Android进入平板电脑领域成都英特尔工厂英特尔加速“二次西进” 成都封装测试厂有望扩能三成城市中国交通2013年我国智能交通市场规模将超400亿元台湾产业大卫金士顿创始人:台DRAM厂不整合没竞争力稳压器系列模块爱立信的1.2V至5V输出表面贴装型大电流稳压器批评新闻线索邮箱凌特推出同步反激式DC/DC控制器LT3837灯具余姚节能“中国灯具之乡”LED节能灯出口增速明显在线诚信会员在线交易——诚信高效的商务交易模式
音频功率放大器无所不在,有音乐响起的地方就会有音频放大器的身影,一代代的电子工程师在这个领域辛勤耕耘撒播智慧。音频放大器是要以一定的音量和功率在扬声器或耳机上真实、高效的重现声音信号。真实和高效一直是功率放大器领域技术进步的源动力。音频频率范围约为20Hz~20kHz,要求放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应;根据输出功率不同,放大器可以被细分为不同的输出功率规格,比如从几百mW的耳机放大器到2W左右应用于便携设备的小功率放大器,再到10W、20W的家庭音响用中功率、大功率放大器。

  AB类放大器是当今最常用的音频功率放大器。其不同于最早的A类或B类放大器的区别在于,AB类放大器采用互补输出级,通过在输出端加一定的偏置电流以防止交越失真,从而能够在提升A类放大器效率的基础上,提供良好的音质。但它仍是一种线性放大器,输出级晶体管工作在线性放大状态,为负载提供瞬时连续输出电流。输出晶体管工作在线性状态下,源极、漏极之间的压降很大。输出晶体管的瞬时功耗可表示为VDS× IDS,会有相当多的能量将消耗在输出晶体管上,转化为热量。即使最有效的AB类放大器,其效率通常也只在60~70%左右。

  D类放大器采用一种全新的工作方式,其输出级晶体管工作于开关状态,输出端在正电源和负电源之间切换产生一串电压脉冲。当输出晶体管不导通时,输出级不消耗任何电流。输出级晶体管导通电阻通常在0.2Ω,因此导通时VDS很低,晶体管上的功耗(VDS×IDS)也很小。低功耗的开关工作方式使得D类放大器在许多应用中优势显著,如可以节省印制电路板上用于散热的金属面积,可以省去专用的散热片,并能够延长便携式设备的电池使用时间。

  D类放大器工作时,首先必须将输入音频信号调制成一串电压脉冲。现今有很多方法将输入音频信号调制成电压脉冲,最常用的技术是脉宽调制技术(PWM)。从原理上讲,PWM调制是通过将输入音频信号与固定载波频率的三角波进行比较,产生一串和载波相同频率的电压脉冲。PWM脉冲的占空比正比于该载波周期内音频信号的幅度,占空比的变化即包含了输入音频信号的变化。由于载波频率通常在音频信号的10倍以上,从频谱上分析,PWM调制在音频范围内是无失真的。

  通常D类放大器输出端通过一个LC滤波器连接至扬声器上。LC滤波器用于滤除电压脉冲信号中的高频部分,重建音频信号。我们知道,扬声器本身具有一定的频响范围,人耳基本上也不敏感音频频率范围以外的信号,从这个角度来讲,LC滤波器完全可以从D类放大器中删去。让我们看一下删去LC滤波器后会发生什么情况。在没有任何音频输入信号时,比较器会产生一串50%占空比的脉冲,该脉冲直接加在扬声器两端,在扬声器内部被滤波后重建至零输入的直流状态。这个过程会在扬声器的阻性负载上产生很大的功耗,降低了放大器的效率。

  三电平H桥输出结构完全可以省去LC滤波器。在三电平H桥输出结构中,输入音频信号及其反相信号同时和三角波比较,产生两串不同的电压脉冲加在H桥的两个半桥上。两串电压脉冲的差分脉冲是实际加在扬声器两端的电压脉冲。我们同样看一下没有任何音频输入信号时的情况。没有输入信号时,产生的两串电压脉冲同相且均为50%占空比,不会有任何差分脉冲产生,也就不会有任何功率损耗。当输入信号正向变大时,产生一串正向差分脉冲,扬声器上会有正向电流流过;当输入信号反向变大时,则产生一串反向差分脉冲,扬声器上会有反向电流流过。扬声器上的电流是在输入信号变化时根据需要产生的,并不会有多余的功耗被损失掉。

  实际的电路中,输出级和驱动电路总会包含种种的不理想因素,导致放大器输出产生非线性失真。首先,输出级晶体管具有非常低的导通电阻,如果上下两个输出级晶体管同时导通,会产生一个从VDD到VSS的低阻路径通过晶体管,从而产生很大的冲击电流。在电压脉冲由高变低或由低变高时,极容易发生输出级晶体管同时导通的情况。因此,避免输出级晶体管同时导通很重要。为防止该情况发生,必须在一个晶体管导通之前先强制将两个晶体管都关断。两个晶体管都关断的时间间隔称为死区时间。死区时间会改变原始PWM脉冲的占空比,并导致放大器输出产生失真。设计中通常采用最短的死区时间,既防止输出晶体管同时导通,又能将失真尽可能的减小。另外,输出脉冲的上升时间和下降时间不匹配,以及输出级晶体管驱动电路参数不匹配,同样会改变原始PWM脉冲的占空比,进而同样在放大器输出上产生失真。

  让我们再看一下播放音乐时电源上会发生什么情况。电源通过0.2Ω电阻的输出级晶体管直接连接至扬声器。实际的电源总是存在一定的内阻,在播放音乐时,电源上会产生两倍于信号频率的纹波,纹波幅度会随电源内阻大小不同而不同。该纹波通过0.2Ω电阻的输出级晶体管直接耦合到扬声器,在输出信号中产生偶次音频噪声。从电路角度来看,这种音频噪声来自于较差的电源抑制比性能,即通过电源耦合,电源纹波会在放大器输出上产生高阶偶次失真。 function ImgZoom(Id)//重新设置图片大小 防止撑破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

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