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三電平H橋輸出D類放大器

發(fā)布時(shí)間:2010-04-26

中心議題:
  • 音頻放大器的類別介紹
  • D類放大器的工作狀態(tài)
  • D類放大器的硬件結(jié)構(gòu)分析
解決方案:
  • 將輸入音頻信號(hào)調(diào)制成一串電壓脈沖
  • 三電平H橋輸出結(jié)構(gòu)完全可以省去LC濾波器
  • 通過(guò)閉環(huán)負(fù)反饋來(lái)提高電路性能

音頻功率放大器無(wú)所不在,有音樂(lè)響起的地方就會(huì)有音頻放大器的身影,一代代的電子工程師在這個(gè)領(lǐng)域辛勤耕耘撒播智慧。音頻放大器是要以一定的音量和功率在揚(yáng)聲器或耳機(jī)上真實(shí)、高效的重現(xiàn)聲音信號(hào)。真實(shí)和高效一直是功率放大器領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的源動(dòng)力。音頻頻率范圍約為20Hz~20kHz,要求放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng);根據(jù)輸出功率不同,放大器可以被細(xì)分為不同的輸出功率規(guī)格,比如從幾百mW的耳機(jī)放大器到2W左右應(yīng)用于便攜設(shè)備的小功率放大器,再到10W、20W的家庭音響用中功率、大功率放大器。
  
AB類放大器是當(dāng)今最常用的音頻功率放大器。其不同于最早的A類或B類放大器的區(qū)別在于,AB類放大器采用互補(bǔ)輸出級(jí),通過(guò)在輸出端加一定的偏置電流以防止交越失真,從而能夠在提升A類放大器效率的基礎(chǔ)上,提供良好的音質(zhì)。但它仍是一種線性放大器,輸出級(jí)晶體管工作在線性放大狀態(tài),為負(fù)載提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流。輸出晶體管工作在線性狀態(tài)下,源極、漏極之間的壓降很大。輸出晶體管的瞬時(shí)功耗可表示為VDS×IDS,會(huì)有相當(dāng)多的能量將消耗在輸出晶體管上,轉(zhuǎn)化為熱量。即使最有效的AB類放大器,其效率通常也只在60~70%左右。
  
D類放大器采用一種全新的工作方式,其輸出級(jí)晶體管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài),輸出端在正電源和負(fù)電源之間切換產(chǎn)生一串電壓脈沖。當(dāng)輸出晶體管不導(dǎo)通時(shí),輸出級(jí)不消耗任何電流。輸出級(jí)晶體管導(dǎo)通電阻通常在0.2Ω,因此導(dǎo)通時(shí)VDS很低,晶體管上的功耗(VDS×IDS)也很小。低功耗的開(kāi)關(guān)工作方式使得D類放大器在許多應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)顯著,如可以節(jié)省印制電路板上用于散熱的金屬面積,可以省去專用的散熱片,并能夠延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的電池使用時(shí)間。
  
D類放大器工作時(shí),首先必須將輸入音頻信號(hào)調(diào)制成一串電壓脈沖。現(xiàn)今有很多方法將輸入音頻信號(hào)調(diào)制成電壓脈沖,最常用的技術(shù)是脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)。從原理上講,PWM調(diào)制是通過(guò)將輸入音頻信號(hào)與固定載波頻率的三角波進(jìn)行比較,產(chǎn)生一串和載波相同頻率的電壓脈沖。PWM脈沖的占空比正比于該載波周期內(nèi)音頻信號(hào)的幅度,占空比的變化即包含了輸入音頻信號(hào)的變化。由于載波頻率通常在音頻信號(hào)的10倍以上,從頻譜上分析,PWM調(diào)制在音頻范圍內(nèi)是無(wú)失真的。
  
通常D類放大器輸出端通過(guò)一個(gè)LC濾波器連接至揚(yáng)聲器上。LC濾波器用于濾除電壓脈沖信號(hào)中的高頻部分,重建音頻信號(hào)。我們知道,揚(yáng)聲器本身具有一定的頻響范圍,人耳基本上也不敏感音頻頻率范圍以外的信號(hào),從這個(gè)角度來(lái)講,LC濾波器完全可以從D類放大器中刪去。讓我們看一下刪去LC濾波器后會(huì)發(fā)生什么情況。在沒(méi)有任何音頻輸入信號(hào)時(shí),比較器會(huì)產(chǎn)生一串50%占空比的脈沖,該脈沖直接加在揚(yáng)聲器兩端,在揚(yáng)聲器內(nèi)部被濾波后重建至零輸入的直流狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程會(huì)在揚(yáng)聲器的阻性負(fù)載上產(chǎn)生很大的功耗,降低了放大器的效率。
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三電平H橋輸出結(jié)構(gòu)完全可以省去LC濾波器。在三電平H橋輸出結(jié)構(gòu)中,輸入音頻信號(hào)及其反相信號(hào)同時(shí)和三角波比較,產(chǎn)生兩串不同的電壓脈沖加在H橋的兩個(gè)半橋上。兩串電壓脈沖的差分脈沖是實(shí)際加在揚(yáng)聲器兩端的電壓脈沖。我們同樣看一下沒(méi)有任何音頻輸入信號(hào)時(shí)的情況。沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí),產(chǎn)生的兩串電壓脈沖同相且均為50%占空比,不會(huì)有任何差分脈沖產(chǎn)生,也就不會(huì)有任何功率損耗。當(dāng)輸入信號(hào)正向變大時(shí),產(chǎn)生一串正向差分脈沖,揚(yáng)聲器上會(huì)有正向電流流過(guò);當(dāng)輸入信號(hào)反向變大時(shí),則產(chǎn)生一串反向差分脈沖,揚(yáng)聲器上會(huì)有反向電流流過(guò)。揚(yáng)聲器上的電流是在輸入信號(hào)變化時(shí)根據(jù)需要產(chǎn)生的,并不會(huì)有多余的功耗被損失掉。

實(shí)際的電路中,輸出級(jí)和驅(qū)動(dòng)電路總會(huì)包含種種的不理想因素,導(dǎo)致放大器輸出產(chǎn)生非線性失真。首先,輸出級(jí)晶體管具有非常低的導(dǎo)通電阻,如果上下兩個(gè)輸出級(jí)晶體管同時(shí)導(dǎo)通,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從VDD到VSS的低阻路徑通過(guò)晶體管,從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。在電壓脈沖由高變低或由低變高時(shí),極容易發(fā)生輸出級(jí)晶體管同時(shí)導(dǎo)通的情況。因此,避免輸出級(jí)晶體管同時(shí)導(dǎo)通很重要。為防止該情況發(fā)生,必須在一個(gè)晶體管導(dǎo)通之前先強(qiáng)制將兩個(gè)晶體管都關(guān)斷。兩個(gè)晶體管都關(guān)斷的時(shí)間間隔稱為死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間會(huì)改變?cè)糚WM脈沖的占空比,并導(dǎo)致放大器輸出產(chǎn)生失真。設(shè)計(jì)中通常采用最短的死區(qū)時(shí)間,既防止輸出晶體管同時(shí)導(dǎo)通,又能將失真盡可能的減小。另外,輸出脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間不匹配,以及輸出級(jí)晶體管驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)不匹配,同樣會(huì)改變?cè)糚WM脈沖的占空比,進(jìn)而同樣在放大器輸出上產(chǎn)生失真。

讓我們?cè)倏匆幌虏シ乓魳?lè)時(shí)電源上會(huì)發(fā)生什么情況。電源通過(guò)0.2Ω電阻的輸出級(jí)晶體管直接連接至揚(yáng)聲器。實(shí)際的電源總是存在一定的內(nèi)阻,在播放音樂(lè)時(shí),電源上會(huì)產(chǎn)生兩倍于信號(hào)頻率的紋波,紋波幅度會(huì)隨電源內(nèi)阻大小不同而不同。該紋波通過(guò)0.2Ω電阻的輸出級(jí)晶體管直接耦合到揚(yáng)聲器,在輸出信號(hào)中產(chǎn)生偶次音頻噪聲。從電路角度來(lái)看,這種音頻噪聲來(lái)自于較差的電源抑制比性能,即通過(guò)電源耦合,電源紋波會(huì)在放大器輸出上產(chǎn)生高階偶次失真。

為了降低失真,可以采用類似AB類放大器的方式,通過(guò)閉環(huán)負(fù)反饋來(lái)提高電路性能。從原理上講,閉環(huán)負(fù)反饋是通過(guò)在比較器前增加噪聲整形濾波器,將放大器輸入輸出間的誤差噪聲整形,衰減音頻范圍內(nèi)的失真,提高放大器的線性度。這種誤差既來(lái)自于輸出晶體管及驅(qū)動(dòng)電路,也來(lái)自于電源紋波的直接耦合,因此既提高了放大器的線性度,也提高了放大器的電源抑制比。類比于線性放大器,噪聲整形濾波器實(shí)際上為環(huán)路在音頻范圍內(nèi)提供了很大的開(kāi)環(huán)增益。優(yōu)化設(shè)計(jì)的閉環(huán)D類放大器,可以達(dá)到PSRR>60dB和THD<0.1%的良好性能。

PT5306/26是華潤(rùn)矽威科技近期推出的兩款高性能D類放大器。PT5306為單通道2.5WD類放大器,PT5326是雙通道2.1WD類放大器。這兩款產(chǎn)品均采用閉環(huán)負(fù)反饋三電平H橋輸出PWM調(diào)制結(jié)構(gòu),輸出端可不使用LC濾波器,直接連接至揚(yáng)聲器。通過(guò)精心設(shè)計(jì)內(nèi)部噪聲整形濾波器,達(dá)到了良好的性能。從典型測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看,性能參數(shù)決不亞于國(guó)外同類型產(chǎn)品。如3.6V電源電壓,8歐姆負(fù)載,0.5W輸出功率下,1kHz頻率THD+N在0.1%,500Hz頻率THN+N在0.06%。內(nèi)部集成4個(gè)0.25Ω導(dǎo)通電阻的輸出晶體管構(gòu)成H橋輸出級(jí),在5V電源電壓,8歐姆負(fù)載,1W輸出功率下,效率可達(dá)88%以上。這兩款產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于各類便攜式多媒體設(shè)備上,如手機(jī)、MP3、MP4、數(shù)碼相框和小功率USB便攜音箱上。

PT5306/26包含完整的“噼啪聲”抑制方案,以做到安靜的關(guān)斷或喚醒放大器。在保護(hù)電路方面,PT5306/26也精心集成了過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)。盡管D類放大器輸出級(jí)功耗遠(yuǎn)低于線性放大器,但如果放大器長(zhǎng)時(shí)間提供非常高的功率,仍會(huì)導(dǎo)致器件過(guò)熱。為了防止過(guò)熱危險(xiǎn),當(dāng)溫度超過(guò)熱關(guān)斷安全閾值時(shí),輸出級(jí)關(guān)斷并保持到器件冷卻下來(lái)。另外,如果兩輸出端間短路,會(huì)產(chǎn)生巨大的電流,如果不采取保護(hù)措施,大電流會(huì)損壞輸出級(jí)晶體管。因此,需要在輸出晶體管上添加最大電流限制,如果輸出電流超過(guò)安全閾值,輸出級(jí)自動(dòng)關(guān)斷。

放大器應(yīng)用時(shí),經(jīng)常會(huì)遇到輸入幅度過(guò)大的情況。這種情況會(huì)導(dǎo)致放大器輸出達(dá)到限幅狀態(tài)。處于限幅狀態(tài)的閉環(huán)調(diào)制器,即使輸入信號(hào)低至過(guò)載輸入幅度以下,調(diào)制器輸出仍滯后于輸入信號(hào),長(zhǎng)時(shí)間處于輸出過(guò)載狀態(tài)。這種滯后,在輸入大幅度信號(hào)時(shí),放大器輸出端會(huì)引入額外的非線性。PT5306/26通過(guò)精心設(shè)計(jì)的調(diào)制器防過(guò)載電路,在調(diào)制器過(guò)載條件消失后,能快速的跟上輸入信號(hào)的變化。

為了避免由于放大器自身噪聲產(chǎn)生的嘶嘶聲,便攜式應(yīng)用的小功率放大器,通常要求90dB的信噪比。PT5306/26通過(guò)精心的優(yōu)化電路中每一處噪聲源,達(dá)到了滿意的信噪比。

PWM調(diào)制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn),但是會(huì)產(chǎn)生EMI問(wèn)題。從原理上講,PWM輸出電壓脈沖在載波頻率的倍頻上包含很大的能量,這些頻率分量會(huì)產(chǎn)生大量EMI。如載波頻率500kHz,從PWM輸出脈沖的頻譜上看,30MHz以內(nèi)載波諧波頻段上能量很大。使用三電平調(diào)制可以減少這些頻率分量的幅度。如要進(jìn)一步的減小這些頻率分量的幅度,可以通過(guò)抖頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。PT5306/26包含抖頻調(diào)制技術(shù),通過(guò)在一定頻率范圍內(nèi)不斷變化載波頻率,將30MHz內(nèi)諧波頻率的能量均分到除音頻范圍外的整個(gè)頻帶中。通常,EMI需要考慮對(duì)空間的輻射和通過(guò)揚(yáng)聲器及電源線的傳導(dǎo)。D類放大器調(diào)制方案決定了傳導(dǎo)和輻射EMI的基線譜。如果需要進(jìn)一步降低放大器的EMI,可以使用一些板級(jí)的設(shè)計(jì)方法。

D類放大器應(yīng)用時(shí),應(yīng)當(dāng)注意電源端旁路儲(chǔ)能電容CS的選取。放大器工作時(shí),對(duì)電源干擾嚴(yán)重。如果VDD端的旁路儲(chǔ)能電容選用不合理,放大器會(huì)通過(guò)干擾電源,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)其他部分工作不正常。最佳的方案是CS采用表面貼裝的鉭電解電容。如果成本和PCB布板尺寸限制不允許采用鉭電解電容,可以采用0805或0603封裝的貼片陶瓷電容,且電容值在4.7uF以上,可以有效的降低放大器工作時(shí)對(duì)電源的干擾。
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