D類放大器,D類放大器是什么意思
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輸出級保護(hù)
輸出級必須加以保護(hù)以免受許多潛在危險條件的危害：
過熱：盡管d類放大器輸出級功耗低于線性放大器，但如果放大器長時間提供非常高的功率，仍會達(dá)到危害輸出晶體管的水平。為了防止過熱危險，需要溫度監(jiān)視控制電路。在簡單的保護(hù)方案中，當(dāng)通過一個片內(nèi)傳感器測量的溫度超過熱關(guān)斷安全閾值時，輸出級關(guān)斷，并且一直保持到冷卻下來。除了簡單的有關(guān)溫度是否已經(jīng)超過關(guān)斷閾值的二進(jìn)制指示以外，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(qiáng)制不發(fā)出聲音。
輸出晶體管過流：如果輸出級和揚(yáng)聲器端正確連接，輸出晶體管呈低導(dǎo)通電阻狀態(tài)不會出現(xiàn)問題，但如果這些結(jié)點不注意與另一個結(jié)點或正、負(fù)電源短路，會產(chǎn)生巨大的電流。如果不經(jīng)核查，這個電流會破壞晶體管或外圍電路。因此，需要電流檢測輸出晶體管保護(hù)電路。在簡單保護(hù)方案中，如果輸出電流超過安全閾值，輸出級關(guān)斷。在比較復(fù)雜的方案中，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。在這個方案中，如果限流保護(hù)無效，最后的手段是強(qiáng)制關(guān)斷。有效的限流器還可在由于揚(yáng)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：大多數(shù)開關(guān)輸出級電路只有當(dāng)正電源電壓足夠高時才能正常工作。如果電源電壓太低，出現(xiàn)欠壓情況，就會出現(xiàn)問題。這個問題通常通過欠壓封鎖電路來處理，只有當(dāng)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(dǎo)通時序：mh和ml輸出級晶體管（見圖6）具有非常低的導(dǎo)通電阻。因此，避免mh和ml同時導(dǎo)通的情況很重要，因為它會產(chǎn)生一個從vdd到vss的低電阻路徑通過晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。最好的情況是晶體管發(fā)熱并且消耗功率；最壞的情況是晶體管可能被毀壞。晶體管的先開后合控制通過在一個晶體管導(dǎo)通之前強(qiáng)制兩個晶體管都斷開以防止沖擊電流情況發(fā)生。兩個晶體管都斷開的時間間隔稱為非重疊時間或死區(qū)時間。
圖6、輸出級晶體管的先合后開開關(guān)
注：switching output stage＝開關(guān)輸出級
nonoverlap time＝非重疊時間
on＝導(dǎo)通
off＝斷開
音質(zhì)
在d類放大器中，要獲得好的總體音質(zhì)必須解決幾個問題。
“咔嗒”聲：當(dāng)放大器導(dǎo)通或斷開時發(fā)出的咔嗒聲非常討厭。但不幸的是，它們易于引入到d類放大器中，除非當(dāng)放大器靜噪或非靜噪時特別注意調(diào)制器狀態(tài)、輸出級時序和lc濾波器狀態(tài)。
信噪比（snr）：為了避免放大器本底噪聲產(chǎn)生的嘶嘶聲，對于便攜式應(yīng)用的低功率放大器，snr通常應(yīng)當(dāng)超過90 db，對于中等功率設(shè)計snr應(yīng)當(dāng)超過100 db，對于大功率設(shè)計應(yīng)當(dāng)超過110 db。這對于各種放大器是可以達(dá)到的，但在放大器設(shè)計期間必須跟蹤具體的噪聲源以保證達(dá)到滿意的總體snr。
失真機(jī)理：失真機(jī)理包括調(diào)制技術(shù)或調(diào)制器實現(xiàn)中的非線性，以及為了解決沖擊電流問題輸出級所采用的死區(qū)時間。
在d類調(diào)制器輸出脈寬中通常對包含音頻信號幅度的信息進(jìn)行編碼。用于防止輸出級沖擊電流附加的死區(qū)時間會引入非線性時序誤差，它在揚(yáng)聲器產(chǎn)生的失真與相對于理想脈沖寬度的時序誤差成正比。用于避免沖擊最短的死區(qū)時間對于將失真減至最小經(jīng)常是最有利的；欲了解優(yōu)化開關(guān)輸出級失真性能的詳細(xì)設(shè)計方法請參看深入閱讀資料2。
其它失真源包括：輸出脈沖上升時間和下降時間的不匹配，輸出晶體管柵極驅(qū)動電路時序特性的不匹配，以及l(fā)c低通濾波器元器件的非線性。
電源抑制(psr)：在圖2所示的電路中，電源噪聲幾乎直接耦合到輸出揚(yáng)聲器，具有很小的抑制作用。發(fā)生這種情況是因為輸出級晶體管通過一個非常低的電阻將電源連接到低通濾波器。濾波器抑制高頻噪聲，但所有音頻頻率都會通過，包括音頻噪聲。關(guān)于對單端和差分開關(guān)輸出級電路電源噪聲影響的詳細(xì)說明請參看深入閱讀材料3。
如果不解決失真問題和電源問題，就很難達(dá)到psr優(yōu)于10 db，或總諧波失真（thd）優(yōu)于0.1%。甚至更壞的情況，thd趨向于有害音質(zhì)的高階失真。
幸運的是，有一些好的解決方案來解決這些問題。使用具有高環(huán)路增益的反饋（正如在許多線性放大器設(shè)計中所采用的）幫助很大。lc濾波器輸入的反饋會大大提高psr并且衰減所有非lc濾波器失真源。lc濾波器非線性可通過在反饋環(huán)路中包括的揚(yáng)聲器進(jìn)行衰減。在精心設(shè)計的閉環(huán)d類放大器中，可以達(dá)到psr >； 60 db和thd ； 0.01%的高保真音質(zhì)。
但反饋使得放大器的設(shè)計變得復(fù)雜，因為必須滿足環(huán)路的穩(wěn)定性（對于高階設(shè)計是一種很復(fù)雜的考慮）。連續(xù)時間模擬反饋對于捕獲有關(guān)脈沖時序誤差的重要信息也是必需的，因此控制環(huán)路必須包括模擬電路以處理反饋信號。在集成電路放大器實現(xiàn)中，這會增加管芯成本。
為了將ic成本減至最低，一些制造商喜歡不 使用或使用最少的模擬電路部分。有些產(chǎn)品用一個數(shù)字開環(huán)調(diào)制器和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器來檢測電源變化，并且調(diào)整調(diào)制器行為以進(jìn)行補(bǔ)償，這可以參看深入閱讀資料3。這樣可以改善psr，但不會解決任何失真問題。其它的數(shù)字調(diào)制器試圖對預(yù)期的輸出級時序誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，或?qū)Ψ抢硐氲恼{(diào)制器進(jìn)行校正。這樣至少會處理一部分失真源，但不是全部。對于音質(zhì)要求寬松的應(yīng)用，可通過這些開環(huán)d類放大器進(jìn)行處理，但對于最佳音質(zhì)，有些形式的反饋似乎是必需的。
調(diào)制技術(shù)
d類放大器調(diào)制器可以有多種方法實現(xiàn)，擁有大量的相關(guān)研究和知識產(chǎn)權(quán)支持。本文只介紹基本概念。
所有的d類放大器調(diào)制技術(shù)都將音頻信號的相關(guān)信息編碼到一串脈沖內(nèi)。通常，脈沖寬度與音頻信號的幅度相聯(lián)系，脈沖頻譜包括有用的音頻信號脈沖和無用的（但無法避免）的高頻成分。在所有方案中，總的綜合高頻功率大致相同，因為在時域內(nèi)波形的總功率是相同的，并且根據(jù)parseval定理，時域功率必須等于頻域功率。但是，能量分布變化很大：在有些方案中，低噪聲本底之上有高能量音調(diào)，而在其它方案中，能量經(jīng)過整形消除了高能量音調(diào)，但噪聲本底較高。
最常用的調(diào)制技術(shù)是脈寬調(diào)制（pwm）。從原理上講，pwm是將輸入音頻信號與以固定載波頻率工作的三角波或斜波進(jìn)行比較。這在載波頻率條件下產(chǎn)生一串脈沖。在每個載波周期內(nèi)，pwm脈沖的占空比正比于音頻信號的幅度。在圖7的例子中，音頻輸入和三角波都以0 v為中心，所以對于零輸入，輸出脈沖的占空比為50%。對于大的正輸入，占空比接近100%，對于大的負(fù)輸入，占空比接近0%。如果音頻幅度超過三角波的幅度，就會發(fā)生全調(diào)制，這時脈沖串停止開關(guān)，占空比在具體周期內(nèi)為0%或100%。
pwm之所以具有吸引力是因為它在幾百千赫pwm載波頻率條件下（足夠低以限制輸出級開關(guān)損失）允許100 db或更好的音頻帶snr。許多pwm調(diào)制器在達(dá)到幾乎100%調(diào)制情況下也是穩(wěn)定的，從原理上允許高輸出功率，達(dá)到過載點。但是，pwm存在幾個問題：首先，pwm過程在許多實現(xiàn)中會增加固有的失真（參看深入閱讀資料4）；其次，pwm載波頻率的諧振在調(diào)幅（am）無線電波段內(nèi)會產(chǎn)生emi；最后，pwm脈寬在全調(diào)制附近非常小。這在大多數(shù)開關(guān)輸出級柵極驅(qū)動電路中會引起問題，因為它們的驅(qū)動能力受到限制，不能以重新產(chǎn)生幾納秒（ns）短脈寬所需要的極快速度適當(dāng)開關(guān)。因此，在基于pwm的放大器中經(jīng)常達(dá)不到全調(diào)制，可達(dá)到的最大輸出功率要小于理論上的最大值，即只考慮電源電壓、晶體管導(dǎo)通電阻和揚(yáng)聲器阻抗的情況。
一種替代pwm的方案是脈沖密度調(diào)制（pdm），它在給定時間窗口（脈沖寬度）的脈沖數(shù)正比于輸入音頻信號的平均值。其單個的脈寬不像pwm那樣是任意的，而是調(diào)制器時鐘周期的“量化”倍數(shù)。1 bit Σ-Δ調(diào)制是pdm的一種形式。
Σ-Δ調(diào)制中的大量高頻能量分布在很寬的頻率范圍內(nèi)，而不是像pwm那樣集中在載波頻率的倍頻處，因而Σ-Δ調(diào)制潛在的emi優(yōu)勢要好于pwm。在pdm采樣時鐘頻率的鏡像頻率處，能量依然存在；但在3 mhz～6 mhz典型時鐘頻率范圍，鏡像頻率落在在音頻頻帶之外，并且被lc低通濾波器強(qiáng)烈衰減。
Σ-Δ調(diào)制的另一個優(yōu)點是最小脈寬是一個采樣時鐘周期，即使是對于接近全調(diào)制的信號條件。這樣簡化
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