D类放大器是损耗低、发热少的放大器,过去因为其高效率与低失真不能两全,主要用于马达驱动或变换器等。近年由于技术的进步,D类放大器开始进入音频领域,并且实现了电路的集成化。


一、D类放大器专用IC

目前的D类放大器,其结构主要分以下四种。

1.单片IC型:在一片IC内集成了D类放大器的全部功能电路,如PWM变换、栅极驱动、MOSFFT等,外接滤波器就可驱动扬声器,其结构如图1a。与前几年相比,目前的单片D类放大器性能已大大提高。表1列出了各厂商从1W至100W单片D类放大器。


2.两片IC+MOSFET型:单片IC由于受耐压的限制,不易得到大功率输出。采用图1b的结构,用PWM变换IC、栅极驱动IC、与末级MOSFET可构成500W输出的放大器;栅极驱动IC选用IRS20955S或IRS20124S,其耐压达200V。PWM变换IC选用TAS5518或STA308A。表2列出了可选用的功率MOSFET。

3.两片IC型:由PWM变换IC和D类功率IC构成,如图1c。PWM变换IC可选用前述型号;D类功率IC内部集成了驱动电路和MOSFET,在4Ω负荷上可得到300W输出功率。表3是这种结构的例子。

4.单片IC+MOSFET型:由D类放大器专用驱动IC驱动功率-MOSFET,如图1d。其代表芯片为IRS2092,内部集成了误差放大器、PWM变换、栅极驱动、噪声抑制及双向过流检测电路,还具有对应MOSFET开关速度的静寂时间设定功能。图2是采用IRS2092的放大器结构,可得到500W输出功率。


二、改进D类放大器的工艺

一般的D类放大器有以下缺点:

●电源电压变动引起性能下降

●因静寂时间产生失真

●开关状态的辐射噪声等。这些都是需要攻克的课题。

1.电源电压变动的对策

D类放大器输出PWM信号,通过低通滤波器取出模拟音频信号。PWM信号的振幅和脉宽,决定了输出至扬声器的电平,而振幅就是电源电压。所以电源电压的变化,最终表现为音频信号的失真和噪声。特别是便携式产品,电池电压下降引起的性能下降,不容忽视。

TI公司生产的TPA2013D1,在芯片内设有升压变换器(如图3),其电源电压范围为1.8V一5.5V:锂离子电池的电压范围为2.3V-4.8V,在此范围内,该芯片可保持最大输出功率不变。

同样,LM48510也在芯片内设置丁升压型DC—DC电源变换器。

2.减小失真的技术

D类放大器的末级,在电源与地之间连接了两只串联的MOSFET,在开关状态时,若两只MOSFET同时导通,电源就会流过过大的电流。为避免这种情况,就需要设定短暂的截止时间,即合适的静寂时间。

但静寂时间使D类放大器的失真特性大打折扣,图4是静寂时间与失真率的依存关系。理论上,静寂时间为零,失真也为零。但在实际上仍有较小的失真。在外附功率-MOSFET的电路中,静寂时间没定为30ns~50ns为宜。

现在已有一种被称为“零静寂时间开关”的技术,可以保证在零静寂时间下也不会损坏MOSFET、电路如图5,在末级栅极驱动电路中,适当设定晶体管导通电阻的比率,组合成高速4相驱动电平移动电路,使高位和低位驱动的延迟时间严密配合。驱动晶体管导通电阻的合适比率由下式表示:Rq4/(Rq5+Rq1)<VT/Vboot,式中:Rq5、Rq1,分别造Q5、Q1的导通电阻,VT、Vboot分圳是功率-MOSFET的阈值电压、浮动电源电压。

NXP公司生产的TDA8920B就是具有零静寂时间开关技术的单片D类放大器

图6是线性放大器和D类披大器线性误差(失真)特性比较的示意图。AB类放大器在零点附近的线性不良:而D类放大器却很好,但在正、负方向有少许输出电流时,受静寂时间影响,线性有恶化倾向。

A类放大器因为加大了空载电流师失真减小,同样,D类放大器因缩短了静寂时间而改善了失真。

零静寂时间开关是减少D类放大器失真的技术,可与A类放大的工作状态相媲美。

3.多台D类放大器同时工作的噪声对策在5.1声道系统中,多台D类放大器同时工作,若它们的时钟频率有偏差,就会产生差拍噪声。防止这种噪声可利用“主/从功能”:

●从主功放向其他功放提供时钟。

●用一个时钟振荡电路向全部功披提供时钟。