原创创新设计全面提升D类放大器性能

 2008-7-20 22:41  2461 3 4 分类: 消费电子

目前随着便携式消费类电子产品(手机、MP3、便携式GPS等等)的日益流行,人们对电池工作时间的要求也越来越高。这样以效率高,失真小为特点的D类放大器就开始广泛地应用于这些产品当中。对于小功率音频产品,如手机、MP3、MP4等,使用D类放大器可以延长电池的使用寿命;对于大功率音频产品,如多媒体音箱、功放等,使用D类放大器可以省去散热片和使用小规格的变压器,在节能环保的同时也降低了产品的总体成本。

一向以创新而著称的埃派克森微电子（Apexone）涉足D类放大器市场后，先后推出了两款代表产品——A7003和A7013。A7003是双通道12W D类放大器，而A7013是单通道2.5W D类放大器。这两款D类放大器相对其他同类产品，由于其独特的架构和优化设计，性能上有了很大的提升。

埃派克森D类放大器的工作原理

与传统的AB类不同的是，D类音频放大器不是利用功率晶体管的线性工作区特性来放大音频信号，而是利用电压比较、脉宽调制等技术来放大音频信号，故有人也称D类放大器叫做数字功率放大器。

D类放大器将音频输入信号同高频率的三角波(或锯齿波)信号进行电压比较，将音频信号的振幅调制成脉冲宽度，即脉宽调制(PWM)，之后将PWM信号输出到CMOS晶体管的栅极，用以控制CMOS晶体管的导通和关闭，同时也在这个阶段对输出脉冲的功率进行放大, 最后将CMOS晶体管的输出信号连接到LC低通滤波器，将高频的PWM信号滤掉，从而还原放大后的音频信号。理论上D类放大器的效率是100%。

不同于其它公司的D类放大器，埃派克森的A7003采用两极负反馈，即除了芯片内部输出级负反馈以外，在外围滤波器输出处又增加了一级负反馈到芯片内部，组成一个双闭环电路（如图1所示），这样做虽然增加了芯片设计难度，但却大大降低了因外围元器件的非线形而造成的失真。A7003的THD+N在1W输出时达到0.012%，远低于同类产品。

PWM载波频率的选择一般选择10倍以上的最大音频信号。一般人耳可识别的音频范围是20Hz-20kHz，因此，载波频率一般在200kHz以上。当CMOS晶体管以载波频率快速导通关断时，可能导致上下桥臂的CMOS晶体管直接导通，产生较大的冲击电流，影响芯片的温度，甚至烧坏芯片。为了避免这样的情况发生，一般采用在导通时序上增加死区时间来规避，在上桥臂关闭后，隔一段时间后才打开下桥臂，如图3。

图1：埃派克森D类放大器工作原理框架图。

图2：脉宽调制的原理图。

图3：输出控制时序的死区时间。

上述PWM的控制方法在没有音频信号输入的时候，会输出占空比为50%，相位相差180度的脉冲信号，设计不好会导致输出级产生直流偏置电压，不仅增加了输出级的功率损耗，同时还会影响喇叭的动态响应。为了解决这个问题，埃派克森D类放大器采用相位相同的PWM输出波形，在无输入信号的情况下，输出级输出50%占空比、相位相同的PWM，如图4所示。当有信号输入时，输出级一端占空比增加，而另一端占空比减少。通过输出PWM信号占空比的不断变化，在负载上产生不同的电压，如图5所示。

图4：无输入信号时PWM波形。

图5：有输入信号时PWM波形。

埃派克森D类放大器的高效率

D类放大器的效率理论上可以达到100%，但实际上由于CMOS晶体管不是理想的开关，导通时的阻抗并不为0，因此输出级的等效电路图如图6。

图6：输出级的等效电路图。

那么，效率的计算公式应该是：.
假设CMOS晶体管导通电阻是0.3Ω，那么如果输出接4Ω的喇叭，其效率大概在87%左右；如果输出接8Ω的喇叭，其效率为93%。当然，除了导通电阻的损耗以外，还有前面提到的开关损耗，以及偏置电流损耗，输入电容充电损耗等等，所以一般的D类放大器在8Ω负载时效率为85%左右。但即便是这样，D类放大器的效率仍要比目前市场上广泛采用的AB类放大器效率高很多。