ABABD类音频功率放大器.docx

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ABABD类音频功率放大器

D类音频功率放大器（ClassDAudioPowerAmplifier）

近二十年来电子学课本上所讨论的放大器偏压（Bias）分类不外乎A类、B类、C类等放大电路，而讨论音频功率放大器仅强调A类、B类、AB类而却把D类放大器给忘掉了，事实上D类放大器早在1958年已被提出（注一），甚至还有E类、F类、G类、H类及S类等（注二），只是这些类型的电路与D类很接近，运用机会低，所以也就很少被提及。

音频功率放大器最大目的在提供喇叭得到最大功率输出，而卫衍生与电源所供给功率不对等的关系，即所谓功率放大器的效率（输出功率与输入功率之比）如表一所示:

偏压分类

A类

AB类

B类

D类

理想效率

25%

介于A与B类之间

78.5%

100%

表一各類功率放大器的效率比較

随着轻、薄、短、小手持电子装置的发展，诸如手机、MP3、PDA、IPOD及LCDTV…数位家庭等，寻求一个省电的高效率音频功率放大器是必然的。

因此最近几年音频功率放大器由AB类功率放大器转以D类功率放大器为主流。

如图1所示（注三），在实际应用上D类放大效率可达90%以上远超过效率50%的AB类放大。

所以D类放大的晶体管散热可大大的缩小，很适合应用于小型化的电子产品。

圖1D類及AB類效率比較

A类放大器（又称甲类放大器）的特点是不论是否输入信号，其输出电路恒有电流流通，而且这种放大器通常是在特性曲线的线性围操作，如图2所示，以求放大后的信号不失真。

所以它的优点，是失真度小，信号越小传真度越高，最大的缺点是“功率效益”（PowerEfficiency）低，最大只有25%，不输入信号时丝毫不降低消耗功率，极不适合做功率放大。

但因其高传真度，部分高级音响器材仍采用A类放大器。

                                                       图1

图2（a）、（b）皆属A类放大器，设计时让VCE=1/2VCC，以求最大不失真围。

注意到Vi不输入时仍有0.5VCC/RL的电流流过晶体管，所以晶体管需要良好的散热环境。

由于“共集极”组态（图2（a）CommonCollector组态又称“射极跟随器”）转移特性曲线较“共射极”组态（图2（b）CommonEmitter组态）有较佳的线性度（亦即失真较低）及较低的输出组抗，因此，同属于A类放大器，射级随耦器却较常被当成输出级使用（“共射级”组态较常被当成“驱动级”使用）。

     a                                   b

                    图2A类放大器

       图3变压器耦合A类放大器

  图4变压器耦合A类放大器的直流负载特性

B类功率放大器（乙类功率放大器）是工作点在特性线极端处的一种放大器，如图1所示。

当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。

所以，若将上图的左图VBB拿掉，则根据定义，这种零偏压的电路就是一种B类放大器。

然而，由于它的静态点在（VCC，0）处，因此，对于一个正弦波输入信号，它的输出端波形只剩半个周期是可以预期的。

      图1B类功率放大器电路图

解决上述问题的方法，是将另一半周期的信号以一PNP型BJT与原射级跟随器相接，形成所谓的“互补式射级跟随器”（ComplementaryEmitterFollower），又称为“B类推挽式放大器”（ClassBPush-PullAmplifier），如图1所示。

其动作原理，在Vi的正半周其间，Q1导通且Q2截止，所以，形成图2的输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半周时，Q1截止而Q2导通，结果形成输出端负半周正弦波，如图2虚线部分所示。

                           图2B类功率放大器特性图 

由于B类推挽式放大器在无输入信号时不消耗功率，因此它较A类放大器有更高的最大功率效益（可达78%）。

然而，由于推挽式放大器的信号振幅围有一段是在特性线的非线性区域上，因此导致严重的失真，如2所示，这种失真我们称它做“交越失真”（Cross-OverDistortion）。

为了改善这种情形，所以有了AB类放大器，见下篇。

                               图3B类双端推挽放大器

                           图4交流信号输入示意图

            图5集极电流的变化情形

AB类功率放大器（又称-甲乙类功率放大器）（ClassABAmplifier）

前面提到的B类推挽式放大器的交越失真，是由于信号大小在-0.6V

                                               图1AB类放大器

AB类放大器所产生的失真虽然比B类放大器小，但这项改进所付出的代价是待命功率的浪费及功率效率的损失。

G类放大器一般用于高频电路，这里不再敷述。

        图2（a） B类放大器的交越失真                图2（b）  AB类放大器消除交越失真的情形

                          图3变压器耦合AB类推挽放大器

               图4AB类放大器对于交叉失真的改善情形

各种类型放大器优缺点比较：

A类放大器

B类放大器

AB类放大器

C类放大器

工作点位置

负载线中点

负载线截止点

负载线中点与截止点之间

负载线截止点以下的区域

导通角度

θ=360°

θ=180°

180°＜θ＜360°

0°＜θ＜180°

失真度

失真最小

失真度略高于AB类，有交叉失真

可消除交叉失真

失真度最大，有截波失真

功率转移效率

效率最低，在50%以下

效率约为50%至78.5%

效率略低于B类

效率最高，在85%以上

主要用途

失真度低的小功率放大器

大功率放大器

一般的音响扩大机

射频电路与倍频器

三极管Hi-Fi放大器的功率级大部分使用B类SEPP.OTL功率放大电路。

因为B类放大电路功率较高，最高达78.5%，除非是发烧级的音响，为求完美的不失真才会用A类。

就三极管的散热以及电源电路的容量，B类都比A类好很多。

PP电路中虽然有输出电路产生的偶次高谐波可互相抵销的优点，但实际上，主放大器推动PP电路中的A类驱动级就会产生二次高谐波，因此高谐波还是很多。

不过，B类PP电路为减少交叉失真，须特别注意偏压的稳定。

以下介绍几个代表性的B类SEPP.OTL电路

                             图a半对称互补OTL放大电路

                                图b全对称互补OTL放大电路

                                  图一 输入变压器式功放电路 

       输入变压器式SEPP电路如图一，利用输入变压器进行相位反转作用。

线路简单而中心电压又稳定，如果使用两电源方式，可简单剪掉输出电容器。

又，输出短路时，不容易流出大电流，对过载引起的破坏，有很大的防止作用。

不过因为输入变压器的影响，不能有较深的负反馈，所以不能获得较低的失真，在高频特性及失真会显著恶化是主要缺点。

     CE分割方式 

                                         图二CE分割方式 

         如图二所示，利用三极管Q1集电极与发射极之相位相反进行反向的方式，与真空管的PK分割相同。

因为可以由NPN型三极管构成，所以很容易找到特性整齐的三极管。

但是，因为有电路比较复杂，需用的交连电容多，低频特性不好，所以一直不能成为主流的电路。

     互补方式

                                   图三互补方式

       如图三所示，利用NPN与PNP型三极管之组合作为相位相反兼驱动的电路，三极管放大器几乎都使用这种方式。

因为电路直接交连，相位偏差少，且可以有较大的负反馈，所以容易作成超低失真度的放大器。

可以获得Intermodulation少，输出组抗低等优点。

然而，过载时有非常大的电流经过输出三极管，因此必须有适当的保护电路。

从防止被破坏来讲，这点很不利。

此外，输出三极管之偏压须经过稳定化，对于电源电压之变动及温度变化须做适当补偿。

输出三极管虽然亦有采用NPN和PNP型组合的纯互补电路，但是大输出的PNP硅晶体现在很贵，不容易买到，所以较少采用。

利用硅NPN及锗PNP三极管组合的纯互补电路，上下对称特性虽然较差，但因为线路单纯，所以最常被使用。

现在就图三的电路图作说明。

        图三是互补式放大器第二级后的电路。

Q1为A类驱动级，利用VR1偏压调整，改变Q1的集电极电流，将中心电压调整到Vcc的1/2。

因为利用R2从Q1的集电极（约与中间电压同电位）进行DC负反馈加以稳定化，因此只要电路常数选择的当，中间电压几乎没有调整的必要。

二极管与VR2用来改变Q2与Q3的基极偏压，进而调整Q4及Q5的无信号电流。

无信号电流在Pc100W级的三极管以30~50mA，Pc25W级的三极管以20~30Am最恰当。

Q3，Q4负责信号的上半部，Q2，Q5负责信号的下半部，分别交替进行动作。

因此，无信号电流如果太少，即出现跨越失真，上下信号之接和部分变形。

无信号电流如过多，则损失增多，产生热的问题，因此须利用温度补偿使其保持一定大小。

温度补偿的方法等一下会提到。

直接交连双电源无电容式方式 

                                     图四交连双电源无电容式方式

        从图四可知，将互补式电路的初级改成差动放大，使电源电压即使有变动，中间电压亦能保持零电位的电路，就是直接交连二晶体无电容方式。

因为没有输出电容，所以低频部分阻尼特性非常好，即使1KHz附近的波形，亦可完整而极少失真的再现。

但是，加上电源时，中间电压的稳定度会有问题，Q1，Q2的差动放大级与Q3的A类驱动级，电路常数应适当选择，使加上电源时，尽可能由低电压开始动作。

负反馈与阻尼因数

放大器的阻尼因数以DF=RL/Zout表示，因此，输出阻抗越低的放大器DF越好，不加负反馈的互补电路，输出阻抗为1~5Ω。

使用complementary电路放大器，输出阻抗很容易做到0.1Ω以下。

冲击噪声防止电路

OTL电路当电源加入时，输出电容瞬间被充电，因此一下子会有很大的冲击。

防止这个冲击的方法，就是使中间电压慢慢上升，图四即为此种电路的例子。

温度补偿方式

使用三极管的功率放大器为防止热失控，须进行温度补偿。

顺便补充一下前面说过的互补式电路的温度补偿。

三极管温度一上升，电流亦增加，此增加部分可用二极管，热电阻或三极管等进行补偿。

因为补偿可以减少跨越失真，因此，可以达到稳定无信号电流的作用。

对于电源电压的变动亦有稳定化的必要。

图六为利用热敏电阻及三极管作补偿之例，具有非常优秀的特性。

                                图六 温度补偿方式

频率特性以及功率频带宽度

频率特性为判断放大器好坏一个很重要的因素，通常以输入方波的方式看输出的波型来看频率特性。

图九是一特性平坦的放大器，波型右侧微微成直线下斜是因为10Hz附近频率特性下降的缘故。

图十之波形上升部分略成圆钝，表示中频的100~500Hz部分特性略有起伏变化。

图11之方波频率为10KHz，输出波形非常漂亮，此放大器之特性至少从1KHz到50KHz附近均完全平坦。

图12因为30Khz附近之频率特性下降，所以上升部份成圆钝状。

因为这些方波特性可以直接表现出频率特性的好坏，所以非常重要。

如果输出波形有Ringing现象，表示高频特性有peak存在。

假设输出50W的放大器从10Hz~30KHz间频率特性衰减在3dB，则输出功率在25W以上围可从10Hz~30KHz，此即放大器的功率频带宽度。

功率频带宽度对放大器的超低音及超高音部分很重要。

低频部分特性由电源电容及输出电容决定，高级放大器使用大容量的电容就是这个原因。

                                             图八图九图十

一、D类放大器的架构

D类放大器又可称数字式功率放大，基本架构如图2所示，输入讯号经由脉波宽度调变器（PulseWidthModulation）将音频信号调制成数字信号后，由功率晶体管（Q1,Q2）放大输出，再经由低通滤波器（Lf,Cf）取出原输入端的音频讯号送至喇叭输出。

圖2D類放大器基本架構

由于功率晶体管输入为一数字信号，Q1,Q2工作处于饱和与截止两个状态，因此Q1,Q2本身所消耗功率将非常小，提高整个放大器的效率，而使散热装置大幅减小进而在组件的设计上可以大大缩小其体积。

如图3所示MP7720具有20W输出的D类放大器的尺寸为4.8mmx5.8mmx0.135mm（注四）

圖3MP7720元件圖

二、D类放大器的功率分析

功率放大器的输出属开关状态，即输出为一方波波形，由傅利叶级数分析知:

Vo（t）=

（

+

+

+

+…）

高次谐波经由低通滤波器滤除后，输出信号的最大值为

，因此负载所能得到的最大功率PLm为

PLm=

=

而电路的平均电流Iav=

=

，则电源输入功率Ps=Vcc*Iav=

由PLm与Ps比值知，D类放大效率达到100%。

三、脉波宽度调变器（PulseWidthModulation;PWM）

圖4PWM基本架構

PWM属于数字元通讯中调变模式的一种方式，也经常被应用在直流马达的伺服控制、交换式电源供给器（switchingpowersupply）…等，其间的差异在于所使用振荡器频率的不同，基本架构如图4所示，就是利用一三角波经由比较器与输入信号作比较而产生一方波输出，而方波的输出频率与输入三角波频率相同，仅方波的工作周期随着输入信号（正弦波）振幅大小而改变如图5所示。

图6所示为一简易型PWM产生电路（注五），由枢密特电路及积分电路所组成，振荡器频率由R、C、及R1’R2所决定:

fo=

圖5PWM輸出波形

D类放大器主要提供20~20Khz音频放大，因此PWM调制频率必须使用大于10倍以上的频率，频率愈高还原后的信号将愈细腻、清晰，例如MP7720如表二所示均使用在600Khz以上。

表二MP7720增益、調制頻率及電容的關係表

圖6PWM產生器

四、MP7720电路分析

D类放大器的常见业者有ADI、CirrusLogic、MAXIM、Motorola、NS、Philips、Sanyo、ST、TI…等，图7电路所示为MonolithicPower公司所生产的MP7720应用电路，提供20W的输出功率（Vdd=24v），放大倍数由R4,R1决定，Av=-

C3负责调制频率的大小如表二所示，电路频率为720KHz,而R3,R2决定放大器工作点的偏压。

表二MP7720典型應用電路

五、结论

D类放大器由于具有高效率、省电及体积小的特点，随着掌上型、行动式、掌上型装置的发展，其音效部分大都以D类放大器为主流，因此在电子学的教学方面应多加强调，尤其PWM电路观念的介绍，对学习电子、信息及电机领域的同学帮助很大。

六、参考数据

注一:

ClassDAudioAmplifier,AnalogDialogue40-60,June（2006）,.analog.

注二:

SolidStateRadioEngineering”,HerbertL.Krauss,1980竹一

注三:

SergioSánchezMoreno（ColdAmp）,June2005,sound.westhost./articles/pwm.htm

注四:

MP772020WClassDMonoSingleEndedAudioAmplifier,.MonolithicPower.

注五:

PWMMotor/LightController,.solorb.