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D类放大器设计实例第4节电子综合设计范例3----高效音频功率放大器一、设计任务与要求1、设计任务设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻。2、设计要求⑴基本要求①功率放大器a．3dB通频带为300～3400Hz，输出正弦信号无明显失真。b．最大不失真输出功率≥1W。c．输入阻抗>10kΩ，电压放大倍数1～20连续可调。d．低频噪声电压(20kHz以下)≤10mV，在电压放大倍数为10、输入端对地交流短路时测量。e．在输出功率500mW时测量的功率放大器效率(输出功率/放大器总功耗)≥50％。②设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路，将功率放大器双端输出的信号转换为单端输出，经RC滤波供外接测试仪表用，如下图所示。图中，高效率功率放大器组成框图可参见本题第3项“说明”。图1系统组成框图③设计并制作一个测量放大器输出功率的装置，要求具有3位数字显示，精度优于5％。⑵发挥部分①3dB通频带扩展至300Hz～20kHz。②输出功率保持为200mW，尽量提高放大器效率。③输出功率保持为200mW，尽量降低放大器电源电压。④增加输出短路保护功能。⑤其他。1、说明⑴采用开关方式实现低频功率放大(即D类放大)是提高效率的主要途径之一，D类放大原理框图如下图所示。本设计中如果采用D类放大方式，不允许使用D类功率放大集成电路。图2D类放大原理框图⑵效率计算中的放大器总功耗是指功率放大器部分的总电流乘以供电电压(+5v)，不包括“基本要求”中第(2)、(3)项涉及的电路部分功耗。制作时要注意便于效率测试。⑶在整个测试过程中，……

D类放大器的设计与应用，入门篇,d类放大器……

D类放大器的原理EǖEE)QXN*E)FNJ*0QXNEFNJ0FNDUIE,OEEE)QXN*)*2QXNENPTGFU)MGDG*qoNPTGFUWEEWEEEE)gTX*361lI{2/6NI{)*QXN“”61&3QXNE)BCBC*)BC*EEEVO(t)VDDVDDTRIANGLE-WAVEOSCILLATORGNDCOUTtLFGATE-DRIVEAMPLIFIER+VLCFRL+VO_AVG-+VAUDIO-2/!E3QXNE2MD)*)WP`BWH*)JBWH*gTXǖ3134WM)u*)BPOBPGG*3ǖAON=|AOFF|)4*)5*)6*564ǖ)2*)7*WPǖ)8*1IL(t)=∫VL(t)dtLWM)u*2)JBWH*)UTX*4ǖE1LTSW∫V(t)dt=IL0L(TSW)-IL(0)=0)3*TRIANGLE-WAVEOSCILLATORSIGNALTSWINPUTSIGNALVDDVOGNDNOTE:FORCLARITY,SIGNALPERIODSARENOTSHOWNTOSCALE.3/!4EQXN)*VO(t)VDDTSWEΣ.Δ52t5220tQXNIL(t)tOFFIAVGtONtAL(t)ǖ)9*VDD-……

如何设计出理想的D类放大器如何设计出理想的D类放大器在多通道和数字音源时代，采用D类放大器以简化前级线路、提高功放效率从而降低对电源及散热的要求，这已是大势所趋。但D类功放虽然也被称作数字化功放，但在电路设计上绝不像纯粹的数字电路那么简单，也不是直接采用一两块芯片就可以大功告成的。以数字手段实现模拟功能，仍然需要考虑许多模拟方面的因素，但考虑的因素和角度与传统的线性功放又有很大差异。本文除了介绍D类放大器的基本原理和好处之外，还着重讲解了输出级设计、功放管选择、电源、电磁兼容，以及电路板布局方面需要注意的一些问题，这些实用知识有助于设计师减少走弯路的麻烦。D类放大的好处凭借诸如极佳的功率效率、较小的热量以及较轻的供电电源等优点，D类放大器正在音频世界掀起风暴，这一点儿也不令人惊奇。的确，随着技术的成熟以及其所达到越来越好的声音重现效果，看起来继续使用D类放大器向市场渗透是一个颇有把握的赌注，以往在这个市场上只有传统的线性（A类、B类或AB类）功率放大器能够提供令人满意的性能。环绕声格式的不断进步加速了这种趋势。由于越来越多的家庭和车内娱乐系统、DVD播放器以及AV接收机需要驱动六个或更多的扬声器，线性放大器及其电源的尺寸增大了，并且产生了更多的热量。例如，DolbyDigital（杜比数字）格式要求六个独立的输出级，而更新推出的DolbyDigitalEX要求更多的8声道。鉴于此，D类放大技术的优势显得比以往更加突出。输出级数模转换机制所有D类系统的共同特点及其超群的功率效率的奥秘就在于输出级（通常是MOSFET）的电源器件总是要么全通要么全关。这与线性放大器形成对比，线性放大器输出晶体管的导通状态随时间变化。晶体管消耗的功率是其压降与流过电流之积（P=IV），通常占到线性放大器消耗……

什么是D类放大器什么是D类放大器？通过控制开关单元的ON/OFF，驱动扬声器的放大器称D类放大器。类放大器具有以下的特征。D以前的模拟放大器的效率停留在50％左右，剩下的50％主要作为热量被消耗。D类放大器的效率相当高，达到80～90％。不仅不浪费电源，有效地利用电源，还能得到较大的功率输出。以下是D类放大器和以前的模拟放大器的效率比较图表。可以看出D类放大器明显地高效率。效率高，低发热。以前的高发热模拟放大器，封装大，需要大的散热板，因此需要较大的空间。而D类放大器发热少，能作小型封装。同时，不用散热板，从而能节约空间。以下是D类放大器和以前的模拟放大器的能量损失(发热)比较图表。可以看出D类放大器明显地能量损失(发热)小。D类放大器，效率高发热少，能减少不必要的功率消耗。在使用电池和干电池供电的应用中，可保持长时间持续供电。以下是D类放大器和以前的模拟放大器的消耗电流比较图表。可以看出D类放大器明显地消耗电流少。D以前的模拟放大器和D类放大器的增幅电路，可表示为下图。模拟放大器线性放大输入信号。放大前和放大后波形不变。DD类放大器通过PWM将输入信号变换为数字脉冲，进行放大。输出数字脉冲信号，用LPF提取音频信号。……

D类放大器及EMI抑制D类放大器及EMI抑制在日新月异的多媒体时代，便携式电子产品，如智能电话、PDA、MP3、PMP、DSC、DVC、NB等多媒体产品，对声音质量的要求越来越严格。另外，由于此类产品为电池供电，除了要求音质的再突破外，也要求整体效率的提升，以达到高效、低功耗的设计目标。此类产品的音频模块中，除了输入端的信号源和输出端的喇叭或耳机外，音频放大器是一个非常重要的角色。目前广泛用于便携产品的音频放大器有AB类和D类两种。通常，AB类放大器能够提供好的音质，但效率欠佳，耗电较大；而D类放大器具有高效、低温升效应和高输出功率等特点。理论分析AB类放大器的工作原理类似于线性调节器，效率差而且需考虑散热问题；D类放大器的工作原理类似开关调节器，具有较高效率，无散热问题，但电路需要一个采样时钟，该时钟可以内置于芯片内，也可以由外部提供。D类放大器的基本原理如图1所示，内部比较器的同相输入端连接音频信号源，反相输入端连接采样三角波信号。当音频输入的电位高于三角波信号时，比较器输出为高电平；当音频输入的电位低于三角波信号时，比较器输出为低电平。比较器的高、低电平输出驱动后续的MOSFET开关，在MOSFET导通时产生电流推动扬声器。如果在MOSFET后级加上LC滤波电路，则LC滤波器将MOSFET方波还原成与输入类似的模拟音频信号。[pic]图1D类放大器的基本原理传统的D类放大器采用固定采样频率，存在较强的EMI，因此限制了D类放大器的使用。随着IC设计技术的不断提升，Maxim扩展频谱技术在D类放大器的应用，可有效抑制EMI，完全满足FCC的EMI限制。图2给出了固定频率模式下D类放大器的输出波形，其输出频谱为基波和对应的高次谐波。有些D类放大器允许改变采样频率，使基波及高次谐波避开敏感频段。[pic]图2固定频率模式（FFM）……

D类放大器的效率释疑D类放大器的效率释疑众所周知，D类放大器有很多优点，而其中最重要的一个优点就是它的效率要远比AB类放大器的效率高。现在虽然大家都承认这一优点，但是对于其中的理解和认识还是很不相同的。不少人都认为AB类放大器的效率通常是70－80％，而D类放大器的效率则可以达到80－90％。所以D类放大器的效率大约可以比AB类放大器效率高10－15％左右。如果是讨论在最大功率输出时的效率，那么这个结论是不错的。但是，在几乎所有实际使用的音频功率放大器并不是一直工作在最大功率输出的情况下，尤其是在播放音乐是就更不是如此。对于一个音频信号，我们通常采用峰值因素（峰值/有效值）来代表它的峰值功率和平均的有效值功率的比例。例如，对于语音信号来说，它的峰值因素大约为8dB。但是对于音乐信号来说这个比例就有很大的差别。大部分音乐信号的峰值因素在15－16dB左右。这可以用图1的示意图来说明。|[pic]||图1.音乐信号的峰值因素和正弦波的峰值因素的比较。|从图中可以看出，假定音乐信号和正弦波的峰值功率都是2瓦，因为正弦波的峰值功率和有效值功率之比为3dB，所以正弦波的平均功率为1瓦，而音乐信号的峰值因素大约为15dB，所以其平均功率就只有63毫瓦。在播放音乐信号时，用AB类放大器和D类放大器二者在效率上的差别就不是简单的15％的差别了。我们可以从两种放大器的效率曲线来看出。|[pic]|从图中可以看出，尽管AB类放大器的效率在满功率输出时的效率也可以达到78％，而D类放大器在满功率时的效率也只有86％。但是它们在低输出功率时的效率就相差很大，在输出功率为2瓦……

D类放大器热设计D类放大器热设计D类放大器相比AB类放大器具有更高的效率和更好的热性能。尽管如此，使用D类放大器时仍然需要慎重考虑其散热。本应用笔记分析了D类放大器的热性能，并通过几个常见的例子说明了良好的设计所应遵循的原则。连续正弦波与音乐在实验室评估D类放大器性能时，常使用连续正弦波作为信号源。尽管使用正弦波进行测量比较方便，但这样的测量结果却是放大器在最坏情况下的热负载。如果用接近最大输出功率的连续正弦波驱动D类放大器，则放大器常常会进入热关断状态。常见的音源，包含音乐和语音，其RMS值往往比峰值输出功率低得多。通常情况下，语音的峰值与RMS功率之比(即波峰因数)为12dB，而音乐的波峰因数为18dB至20dB。图1所示为时域内音频信号和正弦波的波形图，给出了采用示波器测量两者RMS值的结果。虽然音频信号峰值略高于正弦波，但其RMS值大概只有正弦波的一半。同样，音频信号可能存在突变，但正如测量结果所示，其平均值仍远低于正弦波。虽然音频信号可能具有与正弦波相近的峰值，但在D类放大器表现出来的热效应却大大低于正弦波。因此，测量系统的热性能时，最好使用实际音频信号而非正弦波作为信号源。如果只能使用正弦波，则所得到的热性能要比实际系统差。[pic]图1.正弦波的RMS值高于音频信号的RMS值，意味着用正弦波测试时，D类放大器的发热更大(点击放大图片)PCB的散热注意事项在工业标准TQFN封装中，裸露的焊盘是IC散热的主要途径。对底部有裸露焊盘的封装来说，PCB及其敷铜层是D类放大器主要的散热渠道。如图2所示，将D类放大器贴装到常见的PCB，最好根据以下原则：将裸露焊盘焊接到大面积敷铜块。尽可能在敷铜块与临近的具有等电势的D类放大器引脚以及其他元件之间多布一些覆铜。本文的案例中，敷铜层与散热焊盘的右上方和右下方相连(如图2)。敷铜走线应尽可能……

D类放大器的发展趋势t数字放大器改善了音频质量和系统性能。   D类放大器在过去的几代产品中已经得到了巨大的发展，系统设计者极大地改善了系统的耐用性并提高了其音频质量。实际上，对大多应用而言，使用这些放大器所带来的好处已经远远超过了它们的不足。   在传统D类放大器中，用控制器将模拟或数字音频信号在被集成到功率后端设备中的功率MOSFET管放大之前转换成PWM信号。这些放大器效率很高，使用很小的散热器或根本不需要散热器，且降低了对电源输出功率的要求。然而，与传统的A/B类放大器相比，它们本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的问题，解决这些问题就是D类放大器的发展新趋势。降低EMI   自从D类放大器诞生以来，由于其自身的轨对轨（rail-to-rail）供电开关特性而引起的大量辐射EMI就一直困扰着系统设计者，这将使设备无法通过FCC和CISPR认证。   在D类调制器中，通过将音频信号与高频固定频率信号比较，并将结果在固定频率的载波上调制，数字音频信号被转换成了PWM信号。形成的信号是可变脉宽的固定载波频率（通常在几百kHz），然后由高压功率MOSFET对这些PWM信号进行放大，放 大后的PWM信号再通过低通滤波器去掉载频，恢复出原始基带音频信号。   虽然这种拓扑结构很有效，但它也导致一些不希望的后果，如大量的辐射EMI。由于调制器采用固定频率载波，因此将产生基载波的多次谐波辐射。而且，由于PWM信号自身的开关特性，过冲/下冲和振铃将产生固定比率的高频（10～100MHz的范围）辐射EMI。为了压制辐射EMI，最新一代PWM调制器发展的趋势是采用扩展频谱调制技术。   扩展频谱调制技术用于在更大的带宽内扩展开关PWM信号的频谱能量，而不改变原始音频的内容。一个改进传统调制器高辐射EMI的有效方法是改变PWM开关信号的两个边沿，如图……

D类放大器：基本工作原理和近期发展EǖEE)QXN*E)FNJ*0QXNEFNJ0FNDUIE,OEEE)QXN*)*2QXNENPTGFU)MGDG*qoNPTGFUWEEWEEEE)gTX*361lI{2/6NI{)*QXN“”61&3QXNE)BCBC*)BC*EEEVO(t)VDDVDDTRIANGLE-WAVEOSCILLATORGNDCOUTtLFGATE-DRIVEAMPLIFIER+VLCFRL+VO_AVG-+VAUDIO-2/!E3QXNE2MD)*)WP`BWH*)JBWH*gTXǖ3134WM)u*)BPOBPGG*3ǖAON=|AOFF|)4*)5*)6*564ǖ)2*)7*WPǖ)8*1IL(t)=∫VL(t)dtLWM)u*2)JBWH*)UTX*4ǖE1LTSW∫V(t)dt=IL0L(TSW)-IL(0)=0)3*TRIANGLE-WAVEOSCILLATORSIGNALTSWINPUTSIGNALVDDVOGNDNOTE:FORCLARITY,SIGNALPERIODSARENOTSHOWNTOSCALE.3/!4EQXN)*VO(t)VDDTSWEΣ.Δ52t5220tQXNIL(t)tOFFIAVGtONtAL(t)ǖ)9*VDD-……