Class-D功放详解.ppt
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Class-D功放详解.ppt
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AudioClassDAmplifierIntroduction制作:
刘全制作:
刘全IntroductionOfClass-DAmplifier1OUTLINEClass-DAmplifier的工作原理和结构的工作原理和结构D类放大器的失真类放大器的失真CompareClass-DAmplifierWithClassABClass-DAmplifier特徵參數的介紹和應用特徵參數的介紹和應用ClassDAmplifier滤波器及滤波器及filterlessAmplifierClassDAmplifierCodec&Touchscreencontroller2OUTLINEClass-DAudioAmplifier的工作原理和结构特点的工作原理和结构特点3ThePrincipleOfClass-DAmplifierClass-DAmplifier使用使用脉寬調製技術(脉寬調製技術(PWM技術)技術)用模用模拟信号的幅度来信号的幅度来调制制一系列矩形脉冲的一系列矩形脉冲的宽度。
度。
这种脉种脉宽调制是用一个等制是用一个等幅三角波来幅三角波来对音音频信号信号进行采行采样来来实现(如右)。
(如右)。
经过采采样后,模后,模拟信号的幅信号的幅度信息就被度信息就被转换到脉冲信到脉冲信号的号的宽度信息中去了。
度信息中去了。
图图1.脉宽调制(脉宽调制(PWM)的原理图)的原理图4這樣模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉這樣模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。
冲信号。
優點:
優點:
1.原来的模拟信号包含在脉冲信号的宽度之中,則放大時原来的模拟信号包含在脉冲信号的宽度之中,則放大時晶体管的非线性引起的幅度失真不会引起信号的失真晶体管的非线性引起的幅度失真不会引起信号的失真。
2.晶體管可以工作在開關狀態,在開關狀態的晶體管工作晶體管可以工作在開關狀態,在開關狀態的晶體管工作效率很高,且可以提供更高的功率。
效率很高,且可以提供更高的功率。
NOTE:
为了不失真地放大最高频率分量为:
为了不失真地放大最高频率分量为20KHz的音频信号,三角波的重复频率最好在十倍的音频信号,三角波的重复频率最好在十倍音频的最高频率分量,也就是音频的最高频率分量,也就是200KHz以上以上5右圖表明了一个右圖表明了一个1KHz的正的正弦波音频信号,经过三角波弦波音频信号,经过三角波采样后的输出频谱,其中包采样后的输出频谱,其中包含有很多高频分量。
在含有很多高频分量。
在PWM的输出后面加上一个的输出后面加上一个低通滤波器,就可以滤去矩低通滤波器,就可以滤去矩形波的高频分量。
形波的高频分量。
NOTE:
低通濾波器的截止頻率:
低通濾波器的截止頻率fc大於大於20KHz,小於開關頻率。
,小於開關頻率。
图图2原始信号和原始信号和PWM输出信号以及经过输出信号以及经过低通滤波器以后的信号频谱低通滤波器以后的信号频谱6雖然雖然Class-DAmplifier的工作的工作原理都是依靠原理都是依靠PWM調製技術,但調製技術,但在具體採樣方式和時序上,各個在具體採樣方式和時序上,各個廠商之間卻各不相同,以廠商之間卻各不相同,以TI&PAM為例:
為例:
右圖為右圖為TI廠商型號:
廠商型號:
TPA3110D2全橋輸出的波形。
黃色曲綫和藍全橋輸出的波形。
黃色曲綫和藍色曲綫分別為負載兩端對地的波色曲綫分別為負載兩端對地的波形,紅色曲綫為黃色曲綫與藍色形,紅色曲綫為黃色曲綫與藍色曲綫做減法運算得到的波形即負曲綫做減法運算得到的波形即負載的輸出波形。
載的輸出波形。
图图3TPA3110D2全橋輸出的波形全橋輸出的波形7图图4PAM8610全橋輸出的波形全橋輸出的波形右圖為右圖為PAM8610全橋輸出的波形,全橋輸出的波形,黃色曲綫和藍色曲綫分別為負載黃色曲綫和藍色曲綫分別為負載兩端對地的波形,紅色曲綫為黃兩端對地的波形,紅色曲綫為黃色曲綫與藍色曲綫做減法運算得色曲綫與藍色曲綫做減法運算得到的波形即負載的輸出波形。
跟到的波形即負載的輸出波形。
跟上圖比較可知上圖比較可知PAM8610負載兩端負載兩端的是半個正弦波的波形,兩者之的是半個正弦波的波形,兩者之間相位相差間相位相差180度。
而度。
而TPA3110D2負載兩端的波形雖然負載兩端的波形雖然相位也相差相位也相差180度但卻是兩個完度但卻是兩個完整的正弦波。
說明兩者的採樣方整的正弦波。
說明兩者的採樣方式和時序並不相同式和時序並不相同8Class-DAudioAmplifier的基本特点和结构的基本特点和结构Amplifiersoptimizedtodrivelow-impedanceloadsTypically4,8,16or32WAmplifiersoptimizedforaudiofrequencies2020kHzAmplifiersthatprovidefeatureslikeVolumecontrolSpeakerandheadphonedriveI2CinterfaceBassboostSmallpackageoptions9图图5.D类放大器的结构图类放大器的结构图最简单的最简单的PWM就是一个比较器,它的一端输入原始要放大的信号,另一端就是一个比较器,它的一端输入原始要放大的信号,另一端就输入一个高频三角波。
在这个比较器的输出就是一个脉宽被调制的矩形波。
就输入一个高频三角波。
在这个比较器的输出就是一个脉宽被调制的矩形波。
这个矩形波就直接加到一对互补晶体管进行放大这个矩形波就直接加到一对互补晶体管进行放大。
NOTE:
采用负反馈回路可降低失真,最简单的方式:
直接从输出端经过RF反馈到输入端。
10三角波可以采用如右图的方式来产生。
比较器输出的电压为V1和V1。
当输出电压为V1时,三角波以m=V1/R6C4的斜率增长。
假定三角波的峰值幅度为从VTP到VTP。
再假定三角波的周期为T1/fT。
那么2VTPmT/2=V1/2fTR6C4。
比较器在其非倒相输入端的电压达到0时,切换其状态。
这发生于V1/R8=VTP/R7。
所以,三角波的频率就等于fT=R8/4R6R7C4,VTPV1R7/R8图图6.三角波发生器三角波发生器NOTE:
积分电路的输出电压与输入电压的积分成反比关系,所以阶跃信号输入积分电路后会输出一个比例函数的波形。
11按拓扑结构分Class-D类Amplifier可分为半桥和全桥结构。
全桥式特点就是信号的正半周时,左边上面的和右边下面的晶体管导通,负载电流从左流向右;而当信号进入负半周时,右边上面和左边下面晶体管导通,负载中的电流从右流向左。
这样相当于把电源电压提高了一倍。
即可用增加晶体管数量而不用提高电源电压的方法就可以提高输出功率。
图7.全橋式桥式输出的D类放大器12图图8.半桥式和全桥式结构比较半桥式和全桥式结构比较13CompareClass-DAmplifierWithClassAB14AudioamplifierbasicconfigurationClass-ABvs.Class-DClass-ABamplifiersusethesamepush-pullarchitectureasclass-B,butactivedevicesarebiasedonwithasmallquiescentcurrentwhenVin=0.advantage:
excellentlinearitydisadvantage:
poorefficiencyTriangleOut+Out-PowerGroundPGAComparatorVDDMOSFETsPWMClass-DamplifiersmodulatestheaudiosignalintoahighfrequencyPWMsignalthatdrivesthespeaker(s).advantage:
highefficiencyClass-ABrequiresheatsink!
15Single-EndedLoad(SE)ConfigurationD/AConverterDigitalInputRCLPF+VDDAnalogInputClass-ABSEPower=VRMS2/RL,VRMS=VPP/2.83=VPP2/8*RL=0.63WRMSPowerVPPVPPVPP=4.5VmaxVRMS=VPP/22=1.59VRL=4WWVDD=5VRLfLOW=1/(2ppRLCC)CCAdvantage:
Simple,cheaperAdvantage:
Simple,cheaper16EfficiencyOfClass-DAmplifier和和AB类放大器相比,类放大器相比,D类类放大器有很高的效率一般在放大器有很高的效率一般在80%以上。
由於以上。
由於D类放大器的输出级类放大器的输出级完全工作于开关状态,損耗很小完全工作于开关状态,損耗很小只要考虑在导通时的损耗。
假定只要考虑在导通时的损耗。
假定负载电阻为负载电阻为RL,晶体管导通时的,晶体管导通时的内阻为内阻为Ron,則效率為:
,則效率為:
ERL/(2Ron+RL)除外,偏置电流、输入电容充除外,偏置电流、输入电容充电、和切换电流都会降低效率,电、和切换电流都会降低效率,右图为右图为D类放大器和类放大器和AB类放大器类放大器在不同的输出功率时的效率在不同的输出功率时的效率。
图9.D类放大器和类放大器和AB类放大器在不同的类放大器在不同的输出功率时的效率输出功率时的效率NOTE:
图上为效率是在输入为正弦波的情况下测出的,而在实际的音乐条件下,效率就没有那么高(75%左右),但依然要远高于AB类amplifier(是Class-AB類的2.54倍)。
17为什么为什么class-D类和类和AB类类amplifier的效率相差那的效率相差那么多,可以通过计算他们的么多,可以通过计算他们的耗散功率得知如右。
其中耗散功率得知如右。
其中K为总线电压和输出电压的比为总线电压和输出电压的比值,值,Psw为开关损耗,为开关损耗,Pcond为传导损耗,为传导损耗,Pgd为为栅极驱动损耗,栅极驱动损耗,Qg为栅极为栅极的电量,的电量,Coss为晶体管输为晶体管输出电容,出电容,tf为晶体管开启时为晶体管开启时间。
由右图可知间。
由右图可知class-DAmplifier可通过可通过Qg,Coss,tf和和Rds(on)等参数等参数的控制优化得到最优的效果的控制优化得到最优的效果图10.D类放大器和类放大器和AB类放大器的耗散功率类放大器的耗散功率18效率的不同也表现效率的不同也表现在表面温度上,图在表面温度上,图7表明表明两种放大器在不同的输两种放大器在不同的输出功率时的表面温度。
出功率时的表面温度。
在很多更大输出功率情在很多更大输出功率情况下,况下,AB类类amplifier需需要采用散热器要采用散热器.图11.D类放大器和AB类放大器在不同的输出功率时的表面温度19圖圖12TestofClass-DandClassAB20D类放大器的失真类放大器的失真21MajorCauseofImperfectionGateDriverPWMFeedbackAudiosourceDeadtimeDelaytimeFeedbackIntegratorModulationerrorQuantizationerrorSingle-bridge/FullbridgeFilterlessmodulationschemeSwitchnonidealitiesFiniteRonBodydiodeRecovery(EMI)NonlinearLCPoorPSRRNoisecouplingPOPNoise22THD
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