D類音頻功放IC的原理及特點(diǎn)
1 D類音頻功放IC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
D類放大器由積分移相、PWM調(diào)制模塊、G柵級驅(qū)動、開關(guān)MOSFET電路、Logic輔助、輸出濾波、負(fù)反饋、保護(hù)電路等部分組成。流程上首先將模擬輸入信號調(diào)制成PWM方波信號，經(jīng)過調(diào)制的PWM信號通過驅(qū)動電路驅(qū)動功率輸出級，然后通過低通濾波濾除高頻載波信號，原始信號被恢復(fù)，驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲，如圖1所示。
2 調(diào)制級(PWM-Modulation)
調(diào)制級就是A／D轉(zhuǎn)換，對輸入模擬音頻信號采樣，形成高低電平形式數(shù)字PWM信號。圖2中，比較器同相輸入端接音頻信號源，反向端接功放內(nèi)部時鐘產(chǎn)生的三角波信號。在音頻輸入端信號電平高于三角波信號時，比較器輸出高電平VH，反之，輸出低電平VL，并將輸入正弦波信號轉(zhuǎn)換為寬度隨正弦波幅度變化的PWM波。這是D類功放核心之一，必須要求三角波線性度好，振蕩頻率穩(wěn)定，比較器精度高，速度快，產(chǎn)生的PWM方波上升、下降沿陡峭，深入調(diào)制措施參見文獻(xiàn)[2]。
3 全橋輸出級
輸出級是開關(guān)型放大器，輸出擺幅為VCC，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。將MOSFET等效為理想開關(guān)，關(guān)斷時，導(dǎo)通電流為零，無功率消耗；導(dǎo)通時，兩端電壓依然趨近為零，雖有電流存在，但功耗仍趨近零；整個工作周期，MOSFET基本無功率消耗，所以理論上D類功放的轉(zhuǎn)換效率可接近100％，但考慮輔助電路功耗及MOSFET傳導(dǎo)損耗，整體轉(zhuǎn)換效率一般可達(dá)90％左右。因?yàn)檗D(zhuǎn)換效率很高，所以芯片本身消耗的熱能小，溫升也才很小，完全可以不考慮散熱不良，因此被稱為綠色能效D類功放。
對全橋,進(jìn)一步減小導(dǎo)通損耗，要使MOSFET漏源的導(dǎo)通電阻RON盡量小。選取低開關(guān)頻率和柵源電容小的MOSFET，加強(qiáng)前置驅(qū)動器的驅(qū)動能力。
4 LPF低通濾波級
LPF濾波器可消除PWM信號中電磁干擾和開關(guān)信號，提高效率，降低諧波失真，直接影響放大器帶寬和THD，必須設(shè)置合適截止頻率和濾波器滾降系數(shù)，以保證音頻質(zhì)量。對于視聽產(chǎn)品，20 Hz～20 kHz為可聽聲；低于20 Hz為次聲；高于20 kHz為超聲。應(yīng)用中一般設(shè)置截止頻率為30 kHz，這個頻率越低，信號帶寬越窄，但過低會損傷信號質(zhì)量，過高會有噪聲混入。常用LPF濾波器一般有巴特沃思濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、考爾濾波器三種。巴特沃思濾波器在通帶BW內(nèi)最大平坦幅度特性好，易實(shí)現(xiàn)，因此視聽產(chǎn)品多采用等效內(nèi)阻小，輸出功率大的LC二階巴特沃思濾波器如圖4所示。
5 負(fù)反饋
負(fù)反饋是LPF電路，將檢測到的輸出級音頻成分反饋到輸入級，與輸入信號比較，對輸出信號進(jìn)行補(bǔ)償、校正、噪聲整形，以此改善功放線性度，降低電源中紋波(電源抑制比，PSRR)。負(fù)反饋可減小通帶內(nèi)因脈沖寬度調(diào)制、輸出級和電源電壓變化而產(chǎn)生的噪聲，使輸出PWM中低頻成分總能與輸入信號保持一致，以得到很好的THD，使聲音更加豐富精確。
6 功耗效率分析
D類效率在THD<7％情況下，可達(dá)85％以上效率，遠(yuǎn)高于普及使用的最大理論效率78.5％的線性功放。根本原因在于輸出級MOSFET完全工作在開關(guān)狀態(tài)。理論上，D類功放效率為：
假設(shè)D類功放MOSFET導(dǎo)通電阻為RON，所有其他無源電阻為RP，濾波器電阻為RF，負(fù)載電阻為RL，則不考慮開關(guān)損耗的效率為：
式中：fOSC是振蕩器頻率；tON和tOFF分別是MOSFET開、關(guān)頻率。此時效率為：
由上述公式得知，D類功放中負(fù)載RL，相對其他電阻，比值越大效率越高；MOSFET作為續(xù)流開關(guān)，所消耗的功率幾乎等于MOSFET導(dǎo)通阻抗上I2RON損耗和靜態(tài)電流總和，相比較輸出到負(fù)載的功率幾乎可忽略。所以，其效率遠(yuǎn)高于線性功放，如圖5所示。非常適應(yīng)現(xiàn)今綠色節(jié)能的要求，適合被平板等數(shù)字視聽產(chǎn)品規(guī)模使用。
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