D类放大器的操作和应用

在这个现代世界中,音频系统中音频放大的主要目标是准确地再现和放大给定的输入信号。而最大的挑战之一就是拥有高输出功率,尽可能减少功率损失。D类放大器技术通过提供高功率,功耗低,重量轻的方式,对现场音响世界产生越来越大的影响。如今,随着便携式音乐设备对外部声音的需求不断增长,便携式音乐设备越来越受欢迎。

音频放大有时是用管式放大器技术完成的,但这些技术体积庞大,不适合便携式电子音响系统。对于大多数音频放大需求,工程师选择使用线性模式的晶体管来创建基于小输入的缩放输出。这不是音频放大器的最佳设计,因为线性操作的晶体管将持续导通,产生热量并消耗功率。这种热量损失是线性模式不适合电池供电的便携式音频应用的主要原因。有许多种类的音频放大器。A,B,AB,C,D,E和F.这些分为两种不同的工作模式,线性和切换。
线性模式功率放大器 - A,B,AB和C类都是线性模式放大器,其输出与输入成正比。线性模式放大器不饱和,完全导通或完全关断。由于晶体管总是导通,发热并持续消耗功率。这是线性放大器与开关放大器相比效率较低的原因。开关放大器 - D,E和F类是开关放大器。他们有更高的效率,理论上应该是100%。这是因为没有能量损耗散热。

什么是D类放大器?

D类放大器是一个开关放大器,当它处于“开”状态时,它将传导电流,但是开关两端的电压几乎为零,因此功耗不会散热。当它处于“OFF”模式时,电源电压将通过MOSFET,但由于没有电流,开关不消耗任何功率。如果不考虑漏电流,放大器在开/关转换期间将只消耗功率。D类放大器由以下几个阶段组成:

PMW调制器

一、开关电路
二、输出低通滤波器
三、PMW调制器

我们需要一个称为比较器的电路构建块。比较器有两个输入,分别是输入A和输入B.当输入A的电压高于输入B时,比较器的输出将达到其最大正电压(+ Vcc)。当输入A的电压低于输入B时,比较器的输出将达到其最大负电压(-Vcc)。下图显示了比较器如何操作在一个D类放大器。一个输入(让它成为输入A端子)提供要放大的信号。另一个输入(输入B)提供有精确产生的三角波。当信号瞬间高于三角波的电平时,输出变为正值。当信号瞬间低于三角波的电平时,输出变为负值。结果是脉冲宽度与瞬时信号电平成比例的一连串脉冲。这就是所谓的“脉宽调制”,即PWM。

开关电路

即使比较器的输出是输入音频信号的数字表示,它也没有驱动负载(扬声器)的功率。这个开关电路的任务是提供足够的功率增益,这对放大器是必不可少的。开关电路通常使用MOSFET来设计。设计开关电路产生的信号是不重叠的,或者遇到将电源直接接地的问题,或者使用分离电源使电源短路,这一点非常重要。这被称为直通,但是可以通过向MOSFET引入非重叠的栅极信号来防止这种情况发生。非重叠时间被称为死时间。在设计这些信号时,我们必须尽可能缩短死区时间,以保持精确的低失真输出信号,但必须足够长,以保持两个MOSFET同时导通。还必须降低MOSFET处于线性模式的时间,这有助于确保MOSFET同时工作,而不是同时导通。
对于这种应用,由于设计中的功率增益,必须使用功率MOSFET。D类放大器的高效率使用,但MOSFET具有寄生的内置体二极管,将允许电流在死区时间继续自由运转。可以将肖特基二极管并联到MOSFET的漏极和源极,以减少通过MOSFET的损耗。这减少了肖特基二极管的损耗比MOSFET的体二极管快,确保体二极管在死区时间内不导通。为了降低高频损耗,与MOSFET并联的肖特基二极管是实用且必要的。这个肖特基保证关闭前MOFETs上的电压。MOSFET和输出级的整体操作类似于同步降压转换器的操作。开关电路的输入和输出波形如下图所示。

输出低通滤波器

D类放大器的最后一级是输出滤波器,用于衰减和去除开关信号频率的谐波。这可以用普通的低通滤波器来完成,但最常见的是电感器和电容器的组合。二阶滤波器是需要的,所以我们有一个-40dB /十年滚降。截止频率的范围在20kHz到50kHz之间,这是因为人类无法超过20kHz。下图显示了二阶Butterworth滤波器。我们选择巴特沃思滤波器的主要原因是因为它需要的元件数量最少,而且响应平坦,截止频率很高。

D类放大器的应用

它更适用于便携式设备,因为它不包含任何额外的散热器布置。如此便于携带。高功率D类放大器已成为标准的多用途消费电子应用,例如电视机和家庭影院系统。
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