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D类音频放大器概念及其设计原理和方法

上网日期: 2011年11月24日 ?? 作者: Eric Gaalaas ?? 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:D类放大器? 调制器? 低通滤波器?

输出晶体管尺寸选择

选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗。当传导大的IDS时保证VDS很小,要求输出晶体管的导通电阻(RON)很小(典型值为0.1Ω~0.2Ω)。但这要求大晶体管具有很大的栅极电容(CG)。开关电容栅极驱动电路的功耗为CV2f,其中C是电容,V是充电期间的电压变化,f是开关频率。如果电容或频率太高,这个“开关损耗”就会过大,所以存在实际的上限。因此,晶体管尺寸的选择是传导期间将IDS×VDS损失降至最小与将开关损耗降至最小之间的一个折衷。在高输出功率情况下,功耗和效率主要由传导损耗决定,而在低输出功率情况下,功耗主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其器件的RON×CG减至最小以减少开关应用中的总功耗,从而提供开关频率选择上的灵活性。

输出级保护

输出级必须加以保护以免受许多潜在危险条件的危害:

过热: 尽管D类放大器输出级功耗低于线性放大器,但如果放大器长时间提供非常高的功率,仍会达到危害输出晶体管的水平。为了防止过热危险,需要温度监视控制电路。在简单的保护方案中,当通过一个片内传感器测量的温度超过热关断安全阈值时,输出级关断,并且一直保持到冷却下来。除了简单的有关温度是否已经超过关断阈值的二进制指示以外,传感器还可提供其它的温度信息。通过测量温度,控制电路可逐渐减小音量水平,减少功耗并且很好地将温度保持在限定值范围内,而不是在热关断期间强制不发出声音。

输出晶体管过流: 如果输出级和扬声器端正确连接,输出晶体管呈低导通电阻状态不会出现问题,但如果这些结点不注意与另一个结点或正、负电源短路,会产生巨大的电流。如果不经核查,这个电流会破坏晶体管或外围电路。因此,需要电流检测输出晶体管保护电路。在简单保护方案中,如果输出电流超过安全阈值,输出级关断。在比较复杂的方案中。

电流传感器输出反馈到放大器中,试图限制输出电流到一个最大安全水平,同时允许放大器连续工作而无须关断。在这个方案中,如果限流保护无效,最后的手段是强制关断。有效的限流器还可在由于扬声器共振出现暂时的大瞬态电流时保持放大器安全工作。

欠压: 大多数开关输出级电路只有当正电源电压足够高时才能正常工作。如果电源电压太低,出现欠压情况,就会出现问题。这个问题通常通过欠压封锁电路来处理,只有当电源电压大于欠压封锁阈值时才允许输出级工作。

输出晶体管导通时序: MH和ML输出级晶体管(见图6)具有非常低的导通电阻。因此,避免MH和ML同时导通的情况很重要,因为它会产生一个从VDD到VSS的低电阻路径通过晶体管,从而产生很大的冲击电流。最好的情况是晶体管发热并且消耗功率;最坏的情况是晶体管可能被毁坏。晶体管的先开后合控制通过在一个晶体管导通之前强制两个晶体管都断开以防止冲击电流情况发生。两个晶体管都断开的时间间隔称为非重叠时间或死区时间。


图6. 输出级晶体管的先合后开开关

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