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摘 要半导体技术的进步使D 类放大器在便携类，消费类电子产品领域再次受到关注。D 类功率放大器的理论早在上世纪6 0 年代就已经提出，但是由于当时晶体管反向器的转换速率较低，难以把载波干扰信号输入从输入信号中区分开来，输出信号有较大的失真，所以并未得到很大的发展。D类功率放大器又称开关型功率放大器，相比传统的A,B,C,AB类功率放大器，其具有高效、节能、数字化、体积小、重量轻的特点，适应便携设备高效节能的客观需求,从而在音频模拟集成领域具有很大的优势。随着设计技术的不断进步,D 类功率放大器的性能指标也逐步提高。D 类放大器，既能提供高效率又能实现高音频性能。本文采用龙鼎微电子公司推出的PAM8610设计制作的D 类音频放大系统，有着优秀的主观听感和毫无生硬刺耳、令人不快的声音，不仅节省了输出量的电感和电容，节省了 P C B 面积，而且确保了量产时音质的一致性和可靠性，广泛适用于平板电视，L C D 监视器，投影电视，多媒体播放系统，D V D 播放器，游戏机，Boom B o x,音乐设备等。关键词：A 类音频功率放大器，B 类音频功率放大器，C 类音频功率放大器，AB音频功率放大器类，D 类音频功率放大器，PAM8610AbstractSemiconductor technology progress made in portable type D amplifier,consumerelectronics field again.The theory of class D power amplifier back in the lastcentury 60s,has had raised,but due to transistor inverter at lower conversion rate,itis difficult to interfere with the carrier signal input from the input signal to distinguishthe output signal has a larger distortion,so it did not get much development.Class Dswitching power amplifier power amplifier,also known as compared to the traditionalA,B,C,AB power amplifier,its high efficiency,energy saving,digital,small size,light weight characteristics,energy efficient portable devices to adapt to the objectiveneeds of to integration in the field of analog audio has a great advantage.With thedesign technology advances,D Power Amplifier performance is gradually improving.Class D amplifiers,not only to provide efficient and can achieve high audioperformance.In this paper,the PAM8610 Power Analog Microelectronics Introduces Class Ddesign of the audio amplification system,with good sound effect and no stiff harsh,unpleasant voice,not only saves the output inductors and capacitors,saving PCB area,and ensure production consistency and reliability when the sound quality,widely usedin flat-panel TVs,LCD monitors,projection TV,multimedia playback systems,DVDplayers,game consoles,Boom Box,music equipment and so on.Keywords：A class,B class,C class,AB class,D audio power amplifier,PAM8610目 录摘 要.IAbstract.111绪言.11.1 课题背景.11.2 本文的工作和意义.21.3 国内外概况.31.4 本文的组织结构.42功率放大器原理.52.1 音响基础知识.52.1.1声音的基本特性.52.1.2音响的结构及参数.52.1.3放大器的技术指标.52.2 功率放大器基本理论.62.2.1纯音乐功放.62.2.2 AV 功放.72.2 3功放的分类.72.3 传统功率放大器.82.3.1 A类功率放大器.82.3.2 B类功率放大器.92.3.3 A B类功率放大器.112 3 4 c类功率放大器.112.4 D 类功率放大器概论.1 13系统设计.153.1 P A M 8 6 1 0 芯片简介.1 53.2 P A M 8 6 1 0 性能参数.1 63.3利用P A M 8 6 1 0 芯片设计D 类功率放大器.1 63.3.1系统参数.163.3.2电源设计.173.3.3 EMI 对策.173.3.4 PAM8610 测量.183.3.5印刷电路板(P C B)设计技术.194总结.21致谢.22参考文献.23独创性声明.24学位论文（设计）版权使用授权书.2521 绪言1.1课题背景近年来，半导体技术的进步使D类放大器在便携类，消费类电子产品领域再次受到关注。D类功率放大器的理论早在上世纪6 0年代就已经提出，但是由于当时晶体管反向器的转换速率较低，难以把载波干扰信号从输入信号中区分开来，输出信号有较大的失真，所以并未得到很大的发展。上世纪80年代后，M 0 S管的开关频率大大提高，由它构成的反向器的工作频率能够达到2 5 0 K H Z以上，由分立电子元件设计的D类功率放大器开始出现，但是由于分立元件的较大体积和能耗，其优势未能充分发挥出来，难以与传统的A类，B类，A B类功率放大器竞争。90年代以后，以大规模集成电路为代表的半导体技术为D类功率放大器注入了新的活力，使其再次得到较大发展川D类功率放大器又称开关型功率放大器，具有高效、节能、数字化、体积小、重量轻的特点,适应便携设备高效节能的客观需求，从而在音频模拟集成领域具有很大的优势。随着设计技术的不断进步,D类功率放大器的性能指标也逐步提高。D类放大器，既能提供高效率又能实现高音频性能。它使用脉冲宽度调制(P W M)来把输入信号转换成方波信号，再去驱动输出级功率晶体管。可以有多种方法来产生P W M信号，最常用的方法是采用三角波载波与输入信号相比较。另外还可以对数字信号直接使用数字信号处理(D S P)的方法得到P W M信号。D类功率放大器中的高效率来自于输出级功率晶体管工作在开关状态下，没有静态电流功耗。D类功率放大器的保真度曾经不及传统的功率放大器，但随着M 0 S管速度的提高，已经可以得到较高的P W M信号，现在的D类功率放大器的保真度已经可以和A B类功率放大器媲美。D类功率放大器最引人注目的特点在于其极高的效率，一般可达90%左右，这使其对于传统的A类和A B类功率放大器具有突出的优点。D类功率放大器对于电源电流的要求有较大降低，设备中电池的使用时间大大加长。采 用D类功率放大器的设备可以使用较小的电池代替原有的大电池，减小的设备体积，降低了成本。历史上出现过三代D类放大器设计：第一代的范例是由托卡塔设计的T a c T M i l l en n i u m,它证实了 D类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的P W M信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了 AB类放大器，从而获得了一定的应用。第三代是最近一段时一间，现有的D 类数字放大器较以前的技术已有所改善,他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。最后还不能忽视新的架构技术。1.2 本文的工作和意义D 类音频功率放大器具有小尺寸、高效率的优势。利用D 类功率放大器可以设计出更小更薄和更有效率的电子产品，可延长便携式产品电池的使用时间，因此在业界普遍得到认可。手机、D V D、M P 3 和 P M P 等多媒体产品的普及，尤其加速了D 类功率放大器在便携式电子产品中的使用。本文基于龙鼎微电子公司推出的P A M 86 10。它是一片10W(每声道)，无输出L C 滤波器并且带有直流音量控制的D 类立体声音频放大器,P A M 86 10的新一代无滤波器技术实现了低E M I,低失真以及在音频范围内平直的频率响应，这种技术已经申请了美国专禾!J,使用P A M 86 10的D 类音频放大系统不仅节省了输出量的4个电感和电容，节省了 P C B 面积，而且确保了量产时音质的一致性和可靠性.目前.P A M 推出了从1W到 25 W功率等级的D类放大器I C o P A M 86 10支持全套查分输入和单端输入。全查分输入架构大大提高了共模抑制比(C M R R)和纹波抑制比音量控制,P A M 86 10内部有3 2级的数字音量电位器实现-4 0d b 至 什 3 6 d b 的音量控制，具体的音量大小由V o lu me 引脚的直流电压决定。另外,可供客户选择的F A D E模式可以使开机音量淡入.P A M 86 10内部有完善的短路保护和过热关断功能，为4 0脚的Q F N 6*6 封装,在I C 底部的导热铜板可以使I C 的热量迅速传到P C B 铜箔并散失到周围环境中。P A M 86 10采用全新的电路结构，有着优秀的主观听感，毫无生硬刺耳令人不快的声音。P A M 86 10在 12v 电源电压、8 Q 负载、输出功率5 W 的时候，当对输出波形进行快速傅里叶变换，可以看到二次谐波失真为一6 5 dB,三次谐波失真8 0 dB,失真频谱主要是偶次谐波成分。P A M 8 6 1 0 这种类似电子管放大器的音频特性，可以得到温暖甜美的音色。同时它采用领先的无滤波调制技术，没有死区时间的约束，可以实现小信号的精确还原。输出级开关动作的次数只有目2前流行的无滤波调制方式的一半，E M I 特性非常优秀。本文首先对比研究了各种传统功率放大器的原理特点呢，然后细致研究并设计了基于P A M 8 6 1 0 芯片的D 类立体声音频功率放大器。其输出功率为2 X 3 W (负载 4Q),数字音量控制6 4 级，用两个按键实现，稳压电源电压+5 V,其 T H DW 1 0 铲。1.3国内外概况I M S R es ea r c h 报告指出,2 0 0 7 年全球音频放大器市场产值已突破1 0 亿美元，其中A B 类音频放大器约占整体出货量的6 0 归但未来数年内，在手机、笔记本电脑与家庭影音系统等应用的贡献下，放大器的成长将快速攀升，预估D类放大器的产值至2 0 1 1 年将可较2 0 0 6 年增长两倍。另根据市场研究机构G a r t n er的预测，全球D类音频放大器市场规模将从2 0 0 6 年的3.3 4 亿美元成长到2 0 1 1年的6.8 8 亿美元，年复合成长率高达1 5.6 沆在这波增长中，最主要的驱动力来自液晶电视(L C D TV),而估计2 0 0 9 年全球液晶电视出货量仍可望成长2 5%,达 1.2 6 亿，以此为基础，D类放大器的增长自然是水涨船高。同样根据G a r t n e r 的报告，平板电视领域的D类音频放大器的年销售额将在2 0 1 1 年增长至3.5 9 亿美元，年复合成长率达1 4.7 虬除了液晶电视等大功率需求在近几年的明显提升外，随着D 类和A B 类放大器价差的接近，中低功率的应用，例如立体收音机、手机及笔记本电脑等也是不可忽视的成长力量，这些也是目前台湾地区模拟I C 公司主攻的市场。在手机方面，随着手机喇叭输出功率越来越高，且 D 类放大器价格愈趋下降，D类放大器全面取代A B 类放大器已是指日可待。在笔记本电脑市场情况亦然，D类放大器可节省功耗，对于亟需延长电池寿命的笔记本电脑而言无疑是较佳的选择。探究D 类放大器产业生态，数年前该市场几乎是德州仪器、意法半导体、亚德诺(A D I)、美国国家半导体等外商盘踞的局面，其中尤以德州仪器市占率最高。不过，近几年随着台湾地区模拟业者的研发渐有成果，加上该地区晶圆代工业者提供模拟及混合信号制程的能力精进，使得台湾地区I C 设计业者也能成功推出相关产品，例如瑞昱、茂达、普诚、德信、晶豪与震一等。据茂达科技介绍，该公司于两年前推出D 类放大器，目前在台湾地区手机代工市场的占有率已达四分之一，另外的应用领域则包括便携式设备、便携式导航装置(PN D)、液晶电视与显示器以及笔记本电脑等，其中尤以家用音响市场为主攻领域，如 iPo d 扩充基座(D o ckin g)等应用。其中，型号A PA 2 60 0 的D 类音频放大器I C 为采用薄型T QF N 3x3-1 6无铅封装及新式调制方式，可有效节省PC B3面积。其转换效率高达8 6%,无需外接散热片，输出功率在电源为5 伏特时，4欧姆喇叭为2.8 W；全差动结构与全桥式输出具备高效噪声抑制能力，具备短路及过热保护。普诚科技也锁定手机、便携式电子产品等领域。该公司所推出的立体声音频功率放大器PT 2 0 0 4与同类型产品T PA 2 0 1 2 管脚兼容，是一款无需滤波器的2.2 瓦立体声D类音频功率放大器，设有完善的冲击声抑制功能，可有效消除开/关机时的噪声。由以上厂商的产品导向可知，台湾地区D 类音频放大器I C多应用于手机及便携式产品，至于高功率领域则仍由外商把持。不过，成立于2 0 0 1 年的德信科技在2 0 0 6年推出手机用D类音频放大器后，2 0 0 7 年发表2.7瓦、双声道、免滤波式D 类放大器，并于2 0 0 8 年下半年推出1 0 W产品E U A 2 1 0 1,它是一颗拥有双通道桥接式(B T L)组态的高效率D 类功率放大器。其输出功率在操作电压为1 2 V且输出负载为8欧姆喇叭环境中，当总谐波失真为1 0%时可连续输出1 0 W的功率。同时芯片内部也具备短路保护及过温保护电路等机制，以避免在错误的操作条件下芯片被毁损。此外，该公司现正规划2 0 瓦以上的高功率 D 类放大器产品线。得注意的是，相较于国外大厂具备与DS P 整合的能力，台湾地区方面仅有瑞昱推出DS P 整合方案。瑞昱半导体在2 0 0 8 年曾发表D类音频放大器芯片A L C113、嵌入D 类音频放大器的H D音效芯片A L C8 8 9,高整合型H D音效芯片A L C2 6 9 等。其中，A L C113 是一高度整合、具立体声效果的D 类音频放大器芯片，可支持达四组音频输入，同时通过12 c控制接口，可进行输出增益调节、音量调整等功能。瑞昱半导体音频产品经理王柏智特别指出，这是第一个结合了多音频输入和耳机放大器的高效能立体声效果D 类音频放大器。至于A L C2 6 9 则是一高度整合型高清音效芯片。A L C2 6 9 结合了内建喇叭所需要使用每声道2瓦特的D 类立体声音频放大器，可让笔记本电脑制造商缩减物料成本，提供了外部线路精简的设计，并缩小音效应用线路布局面积。1.4 本文的组织结构本文的内容安排如下1 简介了 D 类功率放大器的发展前沿和应用领域，介绍了其突出的优点。2对比介绍了各种传统功率放大器和D 类功率放大器的原理和特点。3详细介绍了电路中各个部分的设计电路,工作原理和模拟结果。4本文的结论部分，对整个论文工作进行系统的总结，对于下一步的工作提出自己的看法。42 功率放大器原理2.1 音响基础知识2.1.1 声音的基本特性音量：它与声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听音的主观感觉。音调：是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量“频率”对应。人耳的听觉范围：2 0 H z 2 0 K H z称之为可听声，低 于2 0 H z称为次声，高于2 0 K H z称为超声，人耳对3 K H z 4 K H z的声音最为敏感。音色：又叫做音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功率放大器的偶次谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳，清丽。2.1.2 音响的结构及参数前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对各种节目源信号进行选择和处理，对微弱信号将其放大到0.5 1 V,进行各种音质控制，以美化音色。功率放大器，承担放大义务，是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，以推动扬声器发声。有电压放大和电流放大之分，要求是宏亮而不失真。2.1.3放大器的技术指标(1)额定功率音响放大器输出失真度小于某数 值(V I%)的最大功率成为额定功率,表达式：&,U。为负载两端的最大不失真电压，R i为额定负载阻抗。其测量条件为信号发生器输出频率为1 K H Z,电压U i=2 0 mV的正弦信号。功率放大器的输出端接额定负载电阻RL(代替扬声器)，输入端接U，逐渐增大输入 电 压 直 到U。的波形刚好不出现失真，此时对应的输出电压为最大输出电压。测量后应迅速减小心,以免损坏功率放大器。(2)频率响应放大器的电压增益相对于中音频f。(lK H z)的电压增益下降3 d B时所对应5的低音音频九和高音音频。称为放大器的频率响应。测量条件如下：调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的5 0%,输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率从2 0 H z-2 0 K H z （保 持U,=2 0 mV不变）测量负载电阻上对应的输出电压U。（3）输入灵敏度使音响放大器输入额定功率时所需要的输入电压（有效值）成为灵敏度。（4）噪声电压使输入为零时;输出负载史上的电压称为噪声电压。测量时使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载R.的电压波形，用交流电压表测量其有效值。（5）信噪比信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小（6）输出阻抗功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。（7）阻尼系数阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。2.2功率放大器基本理论理想的功率放大器是将较小的功率的信号不失真放大到负载所需要的程度。根据工作方式的不同，功率放大器可主要分为线性功率放大器和非线性功率放大器。功放的工作原理就是将音源播放的各种声音信号进行放大，以推动音箱发出声音。从技术角度看，功放好比一台电流的调制器，它将交流电转变对直流电，然后受音源播放的声音信号控制，将不同大小的电流，按照不同的频率传输给音箱，这样音箱就发同相应大小、相应频率的声音了。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。按当前音响消费的需求，民用音响中的功放已基本定型为两大类，即纯音乐功放和家庭影院A V功放1。2.2.1纯音乐功放纯音乐功放在设计上强调最低的信号失真，忠实地表现出音乐的场面、细节和演奏、录制的技巧以满足人们对音乐的最佳欣赏要求，这就是人们常说的H I-F I （h i-f i d e l i t y,高保真）。在设计和生产上，纯音乐功放的要求极为严格。6纯音乐功放品质的高低并不完全由它的技术指标所决定，不能简单地看它标注的功率多少高，频响多么宽，失真多么低，而应该特别注重其设计生产工艺和音乐的解晰力。比如技术指标并不太高的胆机就要比很多晶体管功放声音好听。2.2.2 A V 功放一般来说包括功放部分和信号处理部分。其功放部分原理上与传统功放没有什么区别，只不过增加了几个声道，也就是将几个功放结合在了一起；其信号控制处理部分涉及信号的音频、视频选择、信号解码处理、信号声场处理以及收音、监听等功能。一般一台高品质的A V功放首先应该在影视节目的信号处理上有较好的声场还原，声道隔离度要高，气氛渲染也不能太夸张；其次在功放部分的音质表现上，尤其是主声道的音质要求尽量接近较好的纯音乐功放皿。2.2 3功放的分类功放一般分为前级功放、后级功放与合并级功放，所谓的合并机就是把前级、后级集于一身的机器。其前级是用来把信号作初步放大、调节音量的；而后级则是把前级来的信号作大量放大来推动扬声器。前级也分为有源及无源两种。有源的前级是使用电源把信号放大，而无源的前级就只有调节音量的功效。老实讲，当今成功的无源前级不多，因为音源与后级的内阻有很大分别，只靠一个音量开关把音源与后级连接起来，其内阻的差别会使动态、细节、频应尽失！有源的前级除了调节音量外，还可作初部广大及降低音源及后级间内阻之别，即用作缓冲。后级是把从前级来的信号放大给杨声器用的，后级必须够力去推动扬声器。所谓够力，不是指越大声越够力。必须有能力去支持整个乐团的大场面而不失其细节。分开前、后级比合并机好，因为各自有更大的空间去造得更精密。而两者间也更少干扰，细节表现较多；而且，分开前后级会给发烧友有更多推动机的选择，更多东西可玩儿1。功率放大器的首要指标是效率，即输出功率占放大器消耗功率的比，效率越高消耗越小。另外一个重要指标是总谐波干扰（T H D）,用来衡量放大后输出信号的保真度，T H D越小信号的线性度越好，保真度越好。线性功率放大器具有较高的线性度，但是效率较低。非线性功率放大器具有很高的效率，便于集成，但是其保真度一般不及传统的线性功率放大器。功率放大器的效率定义7为:An=A x i o o%(2.i)P i 为输出到负载的平均功率，匕为电源消耗的平均偶功率，负载上的平均功率可以表示为：在输入为正弦信号V s i n (w t)的情况下，1 ,s i n(w，)2 ,V2av-T J)R-2R(2.3)信号的T H D 是其保真度的度量，干扰信号越大，干扰频率分量越多T H D 越大。经过功率放大后的信号不可避免的存在非线性失真。考虑一个输入信号%c o s(w t+),输出信号通过傅里叶分解而得到其各个w。倍频的谐波分量。输出信号的干扰的d(t)可以表示为：d(t)=V2 c o s (2 w()t+02)+V3c o s (3 wot+03)+,+V x c o s (N w o t+饵)(2.4)式中每一项为w。倍频的谐波。这时输出信号的T H D 可以表示为：(2.5)2.3传统功率放大器传统功率放大器根据其工作方式和导通角的不同可以分为A类，B类，A B类和C 类。A 类功率放大器在整个信号周期内导通，导通角为3 60 度。B 类功率放大器在半周期内导通，即导通角问为1 80 度。A B 类功率放大器则介于两者之间，即其导通角在略大于1 80 度而远小于3 60 度的范围内。C类功率放大器的导通角则小于1 80 度1 。2.3.1 A类功率放大器A 类功率放大器具有最小的失真，但同时其效率也最低。A 类功率放大器中的晶体管始终偏置在开启下，在整个信号周期内导通，导通角为3 60 度，静态工作点Q 置于负载线的中心，具有最大的线性范围。A类功率放大器最大的特点是信号失真最小，具有最好的保真度，所以适合使用在高质量的音响设备中。A 类功8率放大器中输出级的晶体管偏置电流大于输入流，始终都有静态电流和功耗。巨大的功耗使得这类功率放大器需要较多的散热设备，从而使其大而笨重，价格也很昂贵。假设输出信号为-s i n (w t),输出到负载上的平均功率可表示为2加=%。4+誓s i n(皿)力=VDD1Q=P,S(2.7)由电源提供的平均功率为VDDIQ,其 中IQ为Q点的偏置电流。=PDD+Pss=2 VDD1Q(2.8)其 中P g和P s s分别为正负电源消耗的功率。可 得A类功率放大器的效率为n=-x x 1 0 0%4 IQRIVCC J v c c )当VP=V c c且=1武 时A类功率放大器具有最大的功率(2.9)(2.1 0)CVC十图2.1 A类功率放大器42.3.2 B类功率放大器B类功率放大器相对于A类功率放大器具有较高的效率，但其代价是有较大的信号失真。B类功率放大器的输出级功率晶体管的静态偏置电流为零，仅在信号周期内导通，即导通角为1 80度。在正弦信号每半周期内，上下两个晶体管只有一侧导通，理论上没有两个晶体管同时导通的情况发生。B类功率放大器正负电源提供的电流为半正弦波，在忽略交越失真的情况L输出到负载的9平均功率可经计算得:(2.1 1)则B累功率放大器的效率为:XL2RL万 力n =2%兀当V产V/时，B累功率放大器具有最大的效率TTM=7 =78.5%(2.1 2)(2.1 3)图2.2 B类功率放大器当输入信号在零附近时，B类功率放大器两侧的晶体管会存在同时闭合的现象，引起输出信号的失真，这种现象称为B类功率放大器的交越失真。交越失真相当于丢失了部分的输入信号，严重干扰了输出信号的性能 所 以B类功率放大器的输出信号的T H D要大于A类功率放大器。B类功率放大器主要用于对功耗要求较高而对保真度要求一般的场合1。102.3.3 AB类功率放大器AB类功率放大器则介于两者之间，导通角在180度 到 360度之间，略大于180度 到 360度之间，兼顾了两者的效率和失真度。AB类功率放大器在一个信号周期内，大部分时间那只有一侧的晶体管导通，但是在输入信号接近零时，两侧的晶体管会同时处于导通，这时有部分偏置电流存在，多损耗了一小部分功率，但是这样的工作方式能够大大降低零输入附近的交越失真。AB类功率放大器相对于A类的非线性失真，保证了较好的线性度。这样的优异能使得AB类放大器成为绝大多数功率放大器设计中的选择。2.3.4 C类功率放大器C 类功率放大器与AB类功率放大器工作情况相反，其导通角小于180度。这使其具有比B 类功率放大器更高的效率，一般可接近90%,适用于对功耗要求极高的场合。但是较小的导通角给信号引入更大的失真。2.4 D类功率放大器概论以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功率损耗。无信号时电流愈大则直流损耗越大，效率越低。1 1为此，要提高效率则应降低工作点，当无信号输入时，也没有直流损耗。但是,信号导通角逾小波形的失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求是相互矛盾的。如果输入波形其他边沿很陡峭，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣化不大而效率又可以得到提高。波形陡峭的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后边沿是垂直升降的，导通状态都不会发生变化，这样就诞生了工作于脉冲放大状态的D类功率放大器。D类放大器工作于开关状态，无信号输入时无电流，而导通时，没有直流损耗。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时器件并没有完全短路，尚有一定的管压降，故存在较少直流损耗，效 率 不 能 达 到100%,实际效率在80%90%,是实用放大器中效率最高的。正 是 由 于D类放大器的效率高，100瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，连电路板都可以做的很小，大大减小了体积和重量。并且由于工作比音频高10余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响会很小.D类功放放大的晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接，电流流通但晶体管无电压，因此无功率消耗。当输出晶体管关闭时，全部电源供应电压即出现在晶体管上，但没有电流，因此也不消耗功率，故理论上的效率为百分之百。D类功放放大的优点是效率最高，供电器可以缩小，几乎不产生热量，因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。但这种功放工作复杂，增加的线路本身亦难免有偏差，所以真正成功的产品甚少,售价也不便宜。有一些D类功放集成块音色音质很好，不过它们现在还只应用在汽车音响中，一些有兴趣的D IY高手把它们改制到了家用音响中。一部功放从外表虽然不能断定音质，但如能观察到供电变压器和滤波电容的大小，便已先对此机的性能或素质略知一二。A类功固然需要巨大的供电器,即使AB类机也是愈大愈好。今日许多优质功放都采用环形变压器，取其效率较方型变压器高而漏磁少。滤波电容等于水塘，储水量越多，供水量越足，功放的供电充足稳定，才能保证输出晶体管输出最大时仍有取之不尽的电能。许多英国制造的合并式功放虽然功率并不太大，但却有个非常充沛的供电器，配合简单的讯号通道可以达成优异的声音。有些产品的面板上除了音量、平衡、讯源选择和电源掣外，其它的控制全部取消，令讯号通道尽量缩短。为追求声音纯美，不惜牺牲控制功能。当前的电子器件倾向于便携和小的尺寸，音频功率放大器采用了 D类技术,D类功率放大器由于它的高效率，理论上可以达到100%,而受到关注。D类放大器的输出级是CMOS的功率晶体管组成，提供扬声器负载需要的大量的电流，这些晶体管工作在或者是截止状态，或者是线形区，而不是饱和区，由于晶体12管只是工作在周期间的一小部分是激活的，减小了开关的导通损耗。高的效率也因此成为可能，效率受D类输出级的晶体管的导通电阻(R o n)影响。图 2.3 D类音频功率放大器的结构框图图2.3是D类功率放大器的简单框图，D类音频功率放大器在工作方式上与产生控制P W M电压信号的开关电源相似。图2.4所示为一般的D类音频功率放大器的组成情况，它主要是由P W M波产生电路，功率放大电路，滤波电路和负反馈电路四部分组成。图 2.4 一般D类功率放大器的总体结构D类音频功率放大器根据开关放大器的工作方式不同，又分为两种类型：电压开关型D类功率放大器：使放大器工作时，开关上的电压波形为方波。电流开关型D类功率放大器：使放大器工作时，开关上的电流波形为方波。D类功率放大器在设计上必须要注意的包括过电流保护及过热保护，此二保护电路为功率I C或功率放大器所必备，否则将造成安全问题，甚至伤及其所连接之电源器件或整个系统。过电流保护或短路保护的简单测试方式乃将任一输出端与电源端(V c c)或地端(G r o u n d)短路，在此状况下短路保护电路将被启动而将输出晶体管关掉，此时将没有讯号驱动喇叭而没有声音输出。由于输出短路是属于一种严重的异常现象，在短路之后要回到正常的操作状态必需重置(R e s e t)放大器，有 些I C则可在某一延迟(D e l a y)时间后自动恢复。详 阅 各I C的d a t a s h e e t即可得知各家各产品不同的作法。至于过热保护，其保护温度通常设定在1 5 0 1 6 0,过热后I C自动关掉输出晶体管而不再送出讯号，待温度下降2 0 或3 0 之后自动回复到正常操作状态口2另 外D类功率放大器必须要解决A B类功率放大器所没有的E M I电磁干扰，13电磁干扰是由于D类功率放大器之功率晶体管以开关方式操作，在高速开关及大电流的状况下所产生。在大多数的市场要求下此项E M I 干扰必须通过F C C 等电磁干扰的规范，解决的方案是使用L C 滤波器或磁珠(b e a d)滤波器以过滤其高频谐波。在此规范下E M I 成为D类一个进入门坎之一，中高功率的D类功率放大器因为E M I 太强目前采用L C 滤波器来解决，小功率则用B e a d 处理即可，但通常还要配合P C B l a y o u t 及零件的摆设位置1 。比如，采用D 类放大器后，D 类放大器接扬声器的线路不能太长，这会相当于外接了一个天线。一些公司的D 类放大器仅可支持2 c m,做得好的D 类放大器则可支持到1 0 c m,比如T I 的 D 类放大器。目前，市场上有些P DA 和智能手机的做法是采用两个单声道的D 类，这样设计更简单一些，而采用立体声D类设计更因难，这也是后者为什么销售状况不是很好的主要原因。D 类功率放大器的高效率效应除了节省电源件器的成本以外亦节省电源的浪费或电池的消耗，优化了整个材料系统及使用环境。尤其欧美国家特别重视绿色环保，就如同高功因控制器(P FC)一样，D 类功率放大器有可能成为一种诉求。虽然目前D 类放器的价格比A B 类要高出近5 0%多，但是，随着D 类产品的上量，价格差别会逐渐消除。143系统设计3.1 P A M8 6 1 0 芯片简介龙鼎微电子公司推出的P A M8 6 1 0,它是一片1 0 W(每声道)，无输出L C滤波器并且带有直流音量控制的D类立体声音频放大器I C,P A M8 6 1 0的新一代无滤波器技术很好实现了低EMI,低失真以及在音频范围内平直的频率响应，这种技术已经申请了美国专利，使用P A M8 6 1 0的D类音频放大系统不仅节省了输出量的4个电感和电容.节省了 P C B面积,而且确保了量产时音质的一致性和可靠性.目前，P A M推出的从1 W至2 5 W功率等级的D类放大器I C.P A M8 6 1 0支持全套查分输入和单端输入.全查分输入架构大大提高了其共模抑制比(C M R R)和纹波抑制比音量控制,P A M 8 6 10内部有32级的数字音量电位器实现-40db至什36 db的音量控制，具体的音量大小由其V o l u me引脚的直流电压决定，另外，可供客户选择的FA D E模式可以使开机音量淡入，P A M 8 6 10内部有完善的短路保护和过热关断功能.为40脚 的Q FN 6*6封装，在I C底部的导热铜板可以使I C的热量迅速传到P C B铜箔并散失到周围环境中，如 图3.1所示为P A M 8 6 10芯片的结构图。全新的电路结构，P A M 8 6 10有着优秀的主观听感，毫无生硬刺耳令人不快的声音。P A M 8 6 10在12V电源电压，8 Q负载、输出功率5 W的时候，对输出波形进行快速傅里叶变换，可以看到二次谐波失真为一6 5dB,三次谐波失真一8 0dB,失真频谱主要是偶次谐波成分。P A M 8 6 10这种类似电子管放大器的音频特性，可以得到温暖甜美的音色。同时它采用领先的无滤波调制技术，没有死区时间的约束，可以实现小信号的精确还原。输出级开关动作的次数只有目前流行的无滤波调制方式的一半，其EM I特性非常优秀,。图3.1 PAM8610芯片引脚结构图153.2 P A M 8 6 10性能参数1,2*10W 的D 类数字功放I C。电 源 13V 时，在保证T H D 小 于 10%的情况下，可 向 8 Q负载提供10W 的输出功率2,低噪声：-9 0dB3,超过9 0%的效率4,32步进直流音量控制有32分贝到-7 5分贝范围，具有关机静音及淡出功能5,具有过流，过热和短路保护6,较低的T H D +N设计7,低静态电流设计8,杂音抑制功能9,封装：薄4 0引脚，Q F N 尺寸为6 m m*6 m m1 0,无铅环保。3.3 利用P A M 8 6 1 0芯片设计D 类功率放大器为了满足器件的设计要求，应该对外部器件进行恰当的选择。通常的设计这里不做讨论，只针对比较重要和特殊的部分做出解释。3.3.1 系统参数(1)电源退耦电容D 类