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D类音频放大器概念及其设计原理和方法

2011-11-21 11:24
月城清浅
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  D类放大器术语以及差分方式与单端方式的比较

 

  图3示出D类放大器中输出晶体管和LC滤波器的差分实现。这个H桥具有两个半桥开关电路,它们为滤波器提供相反极性的脉冲,其中滤波器包含两个电感器、两个电容器和扬声器。每个半桥包含两个输出晶体管,一个是连接到正电源的高端晶体管MH,另一个是连接到负电源的低端晶体管ML。图3中示出的是高端pMOS晶体管。经常采用高端nMOS晶体管以减小尺寸和电容,但需要特殊的栅极驱动方法控制它们(见深入阅读资料1)。

  全H桥电路通常由单电源(VDD)供电,接地端用于接负电源端(VSS)。对于给定的VDD和VSS,H桥电路的差分方式提供的输出信号是单端方式的两倍,并且输出功率是其四倍。半桥电路可由双极性电源或单极性电源供电,但单电源供电会对DC偏置电压产生潜在的危害,因为只有VDD/2电压施加到过扬声器,除非加一个隔直电容器。

  “激励”的半桥电路电源电压总线可以超过LC滤波器的大电感器电流产生的标称值。在VDD和VSS之间加大的去耦电容器可以限制激励dV/dt的瞬态变化。全桥电路不受总线激励的影响,因为电感器电流从一个半桥流入,从另一个半桥流出,从而使本地电流环路对电源干扰极小。

 

  音频D类放大器设计因素

 

  虽然利用D类放大器的低功耗优点有力推动其音频应用,但是有一些重要问题需要设计工程师考虑,包括:

  ●输出晶体管尺寸选择

  ●输出级保护

  ●音质

  ●调制方法

  ●抗电磁干扰( EMI

  ● LC滤波器设计

  ●系统成本

 

  输出晶体管尺寸选择

 

  选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗。当传导大的IDS时保证VDS很小,要求输出晶体管的导通电阻(RON)很小(典型值为0.1Ω~0.2Ω)。但这要求大晶体管具有很大的栅极电容(CG)。开关电容栅极驱动电路的功耗为CV2f,其中C是电容,V是充电期间的电压变化,f是开关频率。如果电容或频率太高,这个“开关损耗”就会过大,所以存在实际的上限。因此,晶体管尺寸的选择是传导期间将IDS×VDS损失降至最小与将开关损耗降至最小之间的一个折衷。在高输出功率情况下,功耗和效率主要由传导损耗决定,而在低输出功率情况下,功耗主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其器件的RON×CG减至最小以减少开关应用中的总功耗,从而提供开关频率选择上的灵活性。

 

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