D類放大器原理詳解及應(yīng)用設(shè)計指南(二)

　D類放大器早在1958年就被人們提出，近年來，其應(yīng)用越來越普及。D類放大器是什么？它們與其它種類的放大器相比怎么樣？為什么音頻應(yīng)用鐘愛D類放大器？設(shè)計和應(yīng)用一款優(yōu)良的D類音頻放大器需要怎么做？下面本文嘗試回答所有這些問題。

D類放大器術(shù)語以及差分方式與單端方式的比較

　　下圖展示的是出D類放大器中輸出晶體管和LC濾波器的差分實現(xiàn)。

　　這個H橋有兩個半橋開關(guān)電路，這兩個開關(guān)電路為濾波器提供相反極性的脈沖，其中濾波器由兩個電感器、兩個電容器和揚聲器組成。每個半橋含有兩個輸出晶體管，其中一個連接到正電源的高端晶體管MH，另一個則連接到負電源的低端晶體管ML。圖3中展示的是高端pMOS晶體管。高端nMOS晶體管被經(jīng)常用來減小尺寸和電容，但需要特殊的柵極驅(qū)動方法對之進行控制。

　　全H橋電路一般采用單電源(V_DD)供電，接地端用于接負電源端(V_SS)。對于給定的V_DD和V_SS，H橋電路的差分特性使它提供的輸出信號能達到單端方式輸出信號的兩倍，而輸出功率則是單端方式的四倍。半橋電路可由雙極性電源或單極性電源供電，但單電源供電會對給揚聲器產(chǎn)生一個有潛在危害的直流偏置電壓_DD/2，除非加一個隔直電容器。

　　LC濾波器上的大電感器電流可以激勵半橋電路的電源電壓總線超過其標定值。在V_DD和V_SS之間加大去耦電容器可以限制瞬變dv/dt。全橋電路不受總線激勵的影響，因為電感器電流從一個半橋流入，從另一個半橋流出，從而使本地電流環(huán)路對電源干擾極小。

音頻D類放大器設(shè)計中必須考慮的要素

　　D類放大器的低功耗優(yōu)點使它被廣泛用于音頻應(yīng)用中，但對設(shè)計人員來說，還有一些重要問題需要考慮，包括：

• 輸出晶體管尺寸選擇；
• 輸出級保護；
• 音質(zhì)；
• 調(diào)制方法；
• EMI ；
• LC濾波器設(shè)計；
• 系統(tǒng)成本。

輸出晶體管尺寸選擇

　　選擇輸出晶體管尺寸是為了在寬范圍信號調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗。當傳導大的IDS的情況下，要確保較小的V_DS，就要求輸出晶體管的導通電阻(R_ON)很小(一般為0.1Ω~0.2Ω)。但這要求大晶體管具有很大的柵極電容(C_G)。開關(guān)電容柵極驅(qū)動電路的功耗為CV²f，其中C是電容，V是充電期間的電壓變化，而f則是開關(guān)頻率。如果電容或頻率太高，“開關(guān)損耗”就會過大，所以這里有一個實際的上限。因此，在選擇晶體管尺寸時，必須在降低傳導期間IDS - V_DS損耗與降低開關(guān)損耗之間做一個權(quán)衡。在高輸出功率情況下，功耗和效率由傳導損耗決著，而在低輸出功率情況下，功耗則主要由開關(guān)損耗決定。功率晶體管制造商試圖將其產(chǎn)品的R_ON - C_G減至最小以減少開關(guān)應(yīng)用中的總功耗，從而提供開關(guān)頻率選擇上的靈活性。

輸出級保護

　　必須對輸出級加以保護，以使其免受各種潛在危害：

　　過熱：D類放大器的輸出級功耗低于線性放大器的輸出級功耗，但如果它被迫長期處于極高功率狀態(tài)，仍會對輸出晶體管構(gòu)成危害。為防止過熱危險，必須采用溫度監(jiān)視控制電路。在簡單的保護方案中，當片內(nèi)傳感器測量的溫度超過熱關(guān)斷安全閾值時，輸出級會被關(guān)斷，并且一直保持關(guān)斷狀態(tài)直到冷卻。除了提供簡單的有關(guān)溫度是否已經(jīng)超過關(guān)斷閾值的二進制指示，傳感器還可提供其它的溫度信息。通過測量溫度，控制電路可逐漸減小音量水平，減少功耗并且很好地將溫度保持在限定值范圍內(nèi)，而不是在熱關(guān)斷期間強制靜音。

　　輸出晶體管過流：輸出級和揚聲器端若能正確連接，輸出晶體管很容易就能實現(xiàn)低導通電阻狀態(tài)，但如果這些結(jié)點不慎與另一個結(jié)點或正、負電源短路，就會產(chǎn)生巨大的電流。如果沒有查出來，這個大電流會破壞晶體管或外圍電路。因此，必須采用電流檢測輸出晶體管保護電路。在簡單保護方案中，輸出級會在輸出電流超過安全閾值時關(guān)斷。而在復(fù)雜方案中，則是由電流傳感器輸出反饋到放大器中，試圖限制輸出電流到一個最大安全水平，同時允許放大器連續(xù)工作而無須關(guān)斷。在該方案中，如果限流保護無效，就只能強制關(guān)斷了。有效的限流器還可在由于揚聲器共振出現(xiàn)暫時的大瞬態(tài)電流時保持放大器安全工作。

　　欠壓：只有當正電源電壓足夠高時，開關(guān)輸出級電路才能正常工作。在電源電壓太低的欠壓情況下，問題就很容易產(chǎn)生。一般可以通過欠壓封鎖電路來解決這個問題，該電路只有當電源電壓大于欠壓封鎖閾值時才允許輸出級工作。

　　輸出晶體管導通時序：用來保護輸出級的MH和ML輸出級晶體管的導通電阻很低。因此，必須避免MH和ML同時導通的情況，因為這會在晶體管上產(chǎn)生一個從VDD到VSS的低電阻路徑和一個很大的沖擊電流。一旦發(fā)生這種情況，最幸運的后果就是晶體管發(fā)熱并且消耗功率，但最壞的情況是晶體管可能被毀壞。通過先開后合的控制方法，可以在開啟其中一個晶體管之前強制關(guān)閉兩個，從而防止沖擊電流情況發(fā)生。兩個晶體管都斷開的時間間隔被稱為非重疊時間或死區(qū)時間。

圖：輸出級晶體管的先合后開方式

下一部分將討論音質(zhì)。