D類音頻功放IC的原理及特點

       1 D類音頻功放IC系統結構

　　D類放大器由積分移相、PWM調制模塊、G栅級驅動、開關MOSFET電路、Logic輔助、輸出濾波、負反饋、保護電路等部分組成。流程上首先将模拟輸入信号調制成PWM方波信号，經過調制的PWM信号通過驅動電路驅動功率輸出級，然後通過低通濾波濾除高頻載波信号，原始信号被恢複，驅動揚聲器發聲，如圖1所示。

　2 調制級(PWM-Modulation)

　　調制級就是A／D轉換，對輸入模拟音頻信号採樣，形成高低電平形式數字PWM信号。圖2中，比較器同相輸入端接音頻信号源，反向端接功放内部時鍾産生的三角波信号。在音頻輸入端信号電平高於(yú)三角波信号時，比較器輸出高電平VH，反之，輸出低電平VL，並(bìng)将輸入正弦波信号轉換爲寬度随正弦波幅度變化的PWM波。這是D類功放核心之一，必須要求三角波線性度好，振蕩頻率穩定，比較器精度高，速度快，産生的PWM方波上升、下降沿陡峭，深入調制措施參見文獻[2]。

　　3 全橋輸出級

　　輸出級是開關型放大器，輸出擺(bǎi)幅爲VCC，電路結構如圖3所示。将MOSFET等效爲理想開關，關斷時，導通電流爲零，無功率消耗；導通時，兩端電壓依然趨近爲零，雖有電流存在，但功耗仍趨近零；整個工作周期，MOSFET基本無功率消耗，所以理論上D類功放的轉換效率可接近100％，但考慮輔助電路功耗及MOSFET傳導損耗，整體轉換效率一般可達90％左右。因爲轉換效率很高，所以芯片本身消耗的熱能小，溫升也才很小，完全可以不考慮散熱不良，因此被稱(chēng)爲綠色能效D類功放。

　　對全橋,進一步減小導(dǎo)通損耗，要使MOSFET漏源的導(dǎo)通電(diàn)阻RON盡量小。選取低開關頻率和栅源電(diàn)容小的MOSFET，加強前置驅動器的驅動能力。

　　4 LPF低通濾波級

　　LPF濾波器可消除PWM信号中電磁幹擾和開關信号，提高效率，降低諧波失真，直接影響放大器帶寬和THD，必須設置合适截止頻率和濾波器滾降系數，以保證音頻質量。對於(yú)視聽産品，20 Hz～20 kHz爲可聽聲；低於(yú)20 Hz爲次聲；高於(yú)20 kHz爲超聲。應用中一般設置截止頻率爲30 kHz，這個頻率越低，信号帶寬越窄，但過低會損傷信号質量，過高會有噪聲混入。常用LPF濾波器一般有巴特沃思濾波器、切比雪夫濾波器、考爾濾波器三種。巴特沃思濾波器在通帶BW内最大平坦幅度特性好，易實現，因此視聽産品多採(cǎi)用等效内阻小，輸出功率大的LC二階巴特沃思濾波器如圖4所示。

　　5 負反饋

　　負反饋是LPF電路，将檢測到的輸出級音頻成分反饋到輸入級，與輸入信号比較，對輸出信号進行補償、校正、噪聲整形，以此改善功放線性度，降低電源中紋波(電源抑制比，PSRR)。負反饋可減小通帶内因脈沖寬度調制、輸出級和電源電壓變(biàn)化而産生的噪聲，使輸出PWM中低頻成分總能與輸入信号保持一緻，以得到很好的THD，使聲音更加豐富精確(què)。

　　6 功耗效率分析

　　D類效率在THD<7％情況下，可達(dá)85％以上效率，遠高於(yú)普及使用的最大理論效率78.5％的線性功放。根本原因在於(yú)輸出級MOSFET完全工作在開關狀态。理論上，D類功放效率爲：

　　假設D類功放MOSFET導(dǎo)通電(diàn)阻爲RON，所有其他無源電(diàn)阻爲RP，濾波器電(diàn)阻爲RF，負載電(diàn)阻爲RL，則不考慮開關損耗的效率爲：

　　式中：fOSC是振蕩(dàng)器頻率；tON和tOFF分别是MOSFET開、關(guān)頻率。此時效率爲：

　　由上述公式得知，D類功放中負載RL，相對其他電阻，比值越大效率越高；MOSFET作爲續流開關，所消耗的功率幾乎等於(yú)MOSFET導通阻抗上I2RON損耗和靜态電流總和，相比較輸出到負載的功率幾乎可忽略。所以，其效率遠高於(yú)線性功放，如圖5所示。非常适應現今綠色節能的要求，适合被平闆等數字視聽産(chǎn)品規模使用。