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在音频放大电路中采用D类放大器提高效率

上网日期: 2004年05月16日 ?? 作者: Nicholas Holland ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:audio amplifier? class D? class AB? analog circuit?

D类音频放大器已在电路中被广泛采用,它和过去人们熟悉的AB类放大器在原理上有很大不同,设计人员必须了解其中的区别才能更好应用在实际设计中。本文将对AB类与D类放大器进行比较,讨论D类放大器高效率实现原理,并解释了输出为脉宽调制(PWM)波形时还可通过扬声器听到正常声音的原因。

目前在移动电话、平面电视、LCD显示器以及便携式游戏设备等消费类电子产品中,已越来越多采用高效率D类放大器,但在很多情况下,设计人员并不明白消费类电子产品内部D类放大器的基本工作情况,必须将原来对AB类或线性放大器的有关知识扩展至D类放大器,对放大器理论进行重新认识。

效率对比

D类放大器比AB类放大器的效率要高很多,图1显示了两类放大器在输出功率变化时功耗变化情况,图中将驱动4Ω和8Ω负载的典型AB类放大器与立体声D类放大器TPA3002D2进行对比。D类放大器可为音频设计人员带来两大好处,如果应用由电池供电,那么电池能够使用更长的时间,因为放大器浪费的电量会减少;另外如果同时需要较小体积以及较大输出功率,D类放大器可大幅减少散热片所占面积甚至取消散热片。

从图1可看到,AB类放大器随着输出接近最大输出功率,其效率会不断提高,但我们还应考虑输出功率的振幅因数,这与功耗有关,也相当重要。振幅因数是峰值输出功率与RMS输出功率之比,即

振幅因数=10log(输出功率峰值/输出功率RMS)

正弦波的振幅因数为3dB,这意味着对于峰值功率20W的放大器,RMS值将为10W。音频信号的振幅因数为12~15dB,这是由于音乐是由不同乐器构成,可能生成更大的电压峰值,如在敲击乐鼓或弹奏低音吉他时的情况,因此对相同的放大器输入而言,RMS功率将为1.3W(采用12dB),也就是说比正弦波要低很多。这意味着当播放音频信号时,放大器很多时间都会在图1的低功率区域,这时AB类与D类的效率差别很大。以图1为例,在1.3W输出功率上,AB类放大器的功耗为7W,而D类放大器的功耗仅为0.9W。

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放大原理

线性放大器为所需输出电压提供固定电流,与桥式负载(BTL)AB类放大器中输出电流相等,图2A显示了一个简化的H桥AB类放大器输出级结构。

如图1所示,输出MOSFET具有不同的电阻,阻值作为放大器输出电压的函数而随时变化,如漏极-源极电阻就将随输出电压变化而变化。从电源通过负载的电流在MOSFET中会产生压降,将该电流乘以MOSFET的压降就得到了放大器的主要功耗,MOSFET中的功耗是AB类放大器与D类放大器相比效率不高的主要原因所在。

相比于线性音频放大器,D类放大器是在给定时间内向负载提供固定量的功率。D类放大器生成PWM信号,使输出电压在电源轨上交换,从而在输出晶体管上产生很小压降。

D类放大器H桥中,优化的MOSFET在状态为“ON”时RDS(ON)(漏极-源极电阻)为零,在状态为“OFF”时RDS(OFF)无限大,这样D类放大器就可从电源向负载提供等量的功率。由于所有MOSFET都存在一定的RDS(on)以及RDS(off)不可能无限大,会因RDS(on)和RDS(off)产生一定损耗,如图2B所示,图中的MOSFET简化为“ON”或“OFF”开关。

从图2B可以看到,电流从电源通过最初状态为“ON”的MOSFET、负载、并通过后面一个状态为“ON”的MOSFET,MOSFET上只会产生较小压降。分压电路由RDS(on)、RDS(off)以及输出负载或扬声器RL形成,MOSFET的RDS(ON)极小,因此它上面几乎没有压降;而状态为“OFF”的MOSFET的RDS(off)值很大,因此几乎没有电流通过它们。同AB类放大器相比这里仅有极小的功率被MOSFET消耗掉,因此D类放大器效率是非常高的。

此外,这些输出MOSFET开关频率通常约为250kHz,之所以采用该频率是为了减小放大器的总谐波失真(THD)。如果放大器设置在更低的频率上,所得的波形将导致较差的THD;而如果开关频率上升,则因开关期间损耗上升会降低放大器的效率。250kHz开关频率是THD和效率之间一个很好的均衡。

D类放大器输出频率为250kHz,这将形成如图4所示的波形。请注意,有的调制使用扬声器电感器作为存储元素,往往不再需要较大的LC过滤器。

图5显示了整个负载上的差动信号。开关信号并不是音频信号,但耳朵实际上是一个低通滤波器,会自然过滤掉所有高于22kHz的频率。耳朵不能听出高于22kHz的频率,所以听到的将只有音频信号。

一般说来,D类放大器都作为整个系统的一部分进行设计,放大器的开关性质会导致对系统其它组件形成EMI干扰,因此我们可能还需要一些更多的过滤。就TI带有新式调制方案的5V D类放大器系列而言(如TPA2000D系列),如果从放大器到扬声器的线径较短,那么无需输出过滤器即可使用。在实验室测试中,扬声器线长在10厘米左右时,TPA2005D1不用屏蔽就能通过FCC和CE对辐射标准的要求,但是对于像TPA3000D系列具有更高电压的D类放大器而言,通常都需要在所有应用中采用铁氧体磁珠过滤器以减小电磁干扰。

当设计不用LC过滤器就无法通过辐射标准,且敏感电路频率高于1MHz时,可使用铁氧体磁珠过滤器。这对那些必须通过FCC和CE的电路来说是很好的选择,因为这些电路只检测高于30MHz的电磁辐射,而铁氧体磁珠过滤器在衰减大于30MHz高频段时的表现要好于LC过滤器。而且选择的铁氧体磁珠过滤器在高频带有应有较高阻抗而DC电阻极低,此外还应确保额定电流值为所需音频输出电流的两倍。

作者:Nicholas Holland


Email: nick-holland@ti.com


音频功率放大器产品部


德州仪器公司






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