1、關(guān)于首頻功放的探究功率放大器綜述：功率放大器作用：用作放大電路的輸出級(jí)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。信號(hào)技肱擴(kuò)音系統(tǒng)功豐恭夫電應(yīng)麻火功率放大器的主要指標(biāo)：輸出功率隊(duì)，放大器的效率可、總諧波失真THD、電源抑制比PSRR輸出功率Po：功率放大器要輸出足夠大的功率Po以推動(dòng)負(fù)載工作，但是由于供電電源，功放管的極限參數(shù)（ICM、UCEM、PCM）等因素的限制，功放的輸出最大功率也受到限制。放大器效率門(mén):功率放大器的效率定義為功率放大器的輸出信號(hào)功率Po與直流電源供給功率放大器的功率PE之比，即1=X10095式iPr總諧波失真THD總諧波失真是指用信號(hào)源輸入時(shí)，輸出信

2、號(hào)（諧波及其倍頻成分）比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分，通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。電源抑制比PSRR電源紋波抑制比（powersupplyrejectionrate）是音頻放大器的輸入測(cè)量電源電壓的偏差偶合到一個(gè)模擬電路的輸出信號(hào)的比值。PSRR反映了音頻功率放大器對(duì)電源的紋波要求，PSRR值越大越好，音頻放大器輸出音質(zhì)就越好。功放的3dB帶寬：對(duì)于音頻功放，要求功放的3dB帶寬滿足音頻的帶寬要求。功率放大器的分類(lèi)：A類(lèi)、B類(lèi)、A聯(lián)、C類(lèi)和D類(lèi)。類(lèi)放大略有一失賓.妓年希C類(lèi)放大無(wú)線性£效宰懿黯岳用于作線性功率放大器適用于作PM功率放大器J圖2晶體管功率放大器的4類(lèi)工作點(diǎn)電路上圖為A類(lèi)B類(lèi)AB類(lèi)

3、C類(lèi)輸出電流隨著發(fā)射結(jié)電壓Vbe變化的曲線，D類(lèi)功放由于原理不同，后面再講。A類(lèi)的直線良好，功耗也較大，只可以取得較小的功率輸出，也即是功率效率較差，大多是用于小信號(hào)放大器。B類(lèi)的集電極電流只流過(guò)半周期，會(huì)產(chǎn)生波形失真?？墒牵捎谛瘦^高，在含有經(jīng)過(guò)調(diào)制的高頻信號(hào)的信號(hào)放大場(chǎng)合，常使用此類(lèi)的放大電路。至于在低頻信號(hào)功率放大器的應(yīng)用中，為了減少波形失真，此電路常被做成推挽式放大器來(lái)使用。C類(lèi)的集電極電流流通的時(shí)間比半周期還短，由于不要求線性，可以使用此類(lèi)放大。AB類(lèi)為介于A類(lèi)于B類(lèi)中間，集電極電流的流通比半周期長(zhǎng)一些，將工作點(diǎn)提高一點(diǎn)，主要是為了減少失真。B類(lèi)推挽式放大器:okzV1和V2是兩只

4、特性完全相同的異性晶體管，使它們都工作在B類(lèi)狀態(tài)，一只管子在輸入信號(hào)的正半周期導(dǎo)通，另一只在輸入信號(hào)的負(fù)半周期導(dǎo)通，兩只管子交替工作。V2的特性曲線倒置于V1特性曲線的下方，使它們的靜態(tài)工作點(diǎn)重合，形成組合特性曲線。01利用AB類(lèi)功放消除交越失真的情形:Vcc8類(lèi)膠十.器的交越失夏人洪故女桔消除交雄夫珥的情形實(shí)際使用中的AB類(lèi)功放：?jiǎn)味溯斎?ShukDownSDModeGNO差分輸入:BypasiShutDonSDMode-IN+IN2Dkfl20kflAWGNDAUDIOFALjCMUU隴Tri3.4A6JIrucpis5.op.ehO'll"/SHUTDOWNhwarea

5、lscnq4IHYDD-»IMgVQ1I'52IDD5C75DT小信號(hào)輸入放大倍數(shù):Av=2*Rf/RD類(lèi)功放（數(shù)字功放）：D類(lèi)功放指的是D類(lèi)音頻功率放大器（有時(shí)也稱(chēng)為數(shù)字功放）。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)單元的ON/OFF,驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的放大器稱(chēng)D類(lèi)放大器。D類(lèi)放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來(lái)。已經(jīng)問(wèn)世多年，與一般的線性AB類(lèi)功放電路相比，D類(lèi)功放有效率高、體積小等特點(diǎn)。D類(lèi)功放是放大元件處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無(wú)信號(hào)輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開(kāi)關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想晶體管因?yàn)闆](méi)有飽和壓降

6、而不耗電，實(shí)際上晶體管總會(huì)有很小的飽和壓降而消耗部分電能。小信號(hào)大倍號(hào)沖編碼調(diào)制+脈沖編媽調(diào)制脈寬調(diào)制/脈寬調(diào)制第一部分為調(diào)制器，最簡(jiǎn)單的只需用一只運(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號(hào)加上一定直流偏置后放在運(yùn)放的正輸入端，另通過(guò)自激振蕩生成一個(gè)三角形波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時(shí)，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號(hào)為零、直流偏置三角波峰值的1/2,則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時(shí)間一樣，輸出就是一個(gè)占空比為1:1的方波。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí)，正半周期間，比較器輸出高電平的時(shí)間比低電平長(zhǎng)，方波的占空比大于1:1;負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正

7、輸入端的電平還是大于零，但音頻信號(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí)間卻大為減少，方波占空比小于1:1。這樣，比較器輸出的波形就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)幅度調(diào)制后的波形，稱(chēng)為PWM（PulseWidthModulation脈寬調(diào)制）或PDM（PulseDurationModulation脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)制）波形。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。uOuoUd門(mén)-Ud第二部分就是D類(lèi)功放，這是一個(gè)脈沖控制的大電流開(kāi)關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率PWM信號(hào)。能夠輸出的最大功率有負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流過(guò)的電流來(lái)決定。第三部分需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來(lái)。方法很簡(jiǎn)單，只需要

8、用一個(gè)低通濾波器。但由于此時(shí)電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1:1的脈沖到來(lái)時(shí)，C的充電時(shí)間大于放電時(shí)間，輸出電平上升；窄脈沖到來(lái)時(shí)，放電時(shí)間長(zhǎng)，輸出電平下降，正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相一致，所以原音頻信號(hào)被恢復(fù)出來(lái)。D類(lèi)功放內(nèi)部框圖：IMN1NF6AIN'GAINOCOSCVDD冉gDVCLAMP-PA3001D1BEMtegralormparaloftkghteh16=口OUTPLPONDCtaipPVDOJPGND3oin1Adju&iGanjddiiMsndonnRjhi：Gsnsfat-xThm!Prtfte-

9、z：fanLogic實(shí)際使用中的D類(lèi)功放:6GNC技lVQ2PVOOVDDV01U202L財(cái)"2IC243HinLp,2uFR226OR放大倍數(shù):Av=2*150K/R225其他類(lèi)功放：K類(lèi)功放：K類(lèi)功放是集成了內(nèi)部自舉升壓電路（自適應(yīng)電荷泵）的D類(lèi)功放。在輸入幅值較小的情況下，它工作于D類(lèi)功放模式，當(dāng)輸入幅值較大的情況下，自舉升壓電路會(huì)被打開(kāi)，它工作在兩倍模式，輸出電壓會(huì)達(dá)到6.3V左右。艾為AW8733框圖:PiJeInput-TLTLFLTSHDNAdaptiveChargePumpEEEOUTPUTSTAGEcK-?區(qū)CIa&a-KModulatorAW8733PVD

10、DVOPf回VONf鹵圖3AW8733功能框圖自舉升壓原理:圖I自舉升壓電路蝮理國(guó)當(dāng)VIN為高電平時(shí)，NMQS管N1導(dǎo)通，PMOS管P1截止，C點(diǎn)電位為低電平.同時(shí)N2導(dǎo)通，P2的柵極電位為低電平，則P2導(dǎo)通。這就使得此時(shí)A點(diǎn)電位約為VDD.電容Cboot兩端電壓UCVDD.由于N3導(dǎo)通，P4截止,所以B點(diǎn)的電位為祇電平.這段時(shí)間稱(chēng)為預(yù)充電周期，理當(dāng)VIN變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，NMOS管N1截【匕PMOS管P1導(dǎo)通'C點(diǎn)電位為高電平'約為VDD,同時(shí)N2、N3截低,P3導(dǎo)通.這使得P2的棚極電位升高，P2截止，此為A點(diǎn)電位等于C點(diǎn)電位加上電容Cboot兩端電壓，約為2VDH而且P4導(dǎo)通

11、，因此B點(diǎn)輸出高電平，且高于VDD.這段時(shí)間耕為自舉升壓周期，效率曲線:G類(lèi)功放：G類(lèi)功放是為了彌補(bǔ)AB類(lèi)功放效率不高，大音量時(shí)整機(jī)溫度升高的問(wèn)題而設(shè)計(jì)產(chǎn)生的。G類(lèi)功放的基本思想是，當(dāng)功放輸出幅度較小時(shí)，功放末級(jí)供電采用低電壓，當(dāng)輸出幅度升高時(shí)功放末級(jí)供電再用更高一些電壓，這樣就減小了信號(hào)小幅度下的管耗，大大提高了整機(jī)效率。+F叫4R+"產(chǎn)部育正ir/2-1電把動(dòng)偏置末級(jí)功率管Ki圖s數(shù)字方式切換電源的類(lèi)功放普通的G類(lèi)功放，在末級(jí)功率管上，使用開(kāi)關(guān)二極管進(jìn)行電源切換。上圖是采用數(shù)字方式切換電源的G類(lèi)功放，由于G類(lèi)功放電源組數(shù)越多，效率越高，而普通的方式，電源組數(shù)一般只能做到24個(gè)，所

12、以采用數(shù)字方式切換的電源組數(shù)要比原有方式多一些，效率也高些。電源組數(shù)于效率的關(guān)系（理論值）雙電源組數(shù)1234567平均效率52.468.476.88L584.086.488.1H類(lèi)功放:特點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)地提升單獨(dú)供電電壓（不用轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電壓源），以提高效率，所采用的電路結(jié)構(gòu)是自舉電路。H類(lèi)放大器用于大功率放大器和其他電壓有限的應(yīng)用，如汽車(chē)，音頻功率放大設(shè)備等。S類(lèi)功放：擴(kuò)流電路選用S類(lèi)功率放大器，原理如圖3所示。其特點(diǎn)是用電壓控制放大器與電流驅(qū)動(dòng)放大器構(gòu)成電橋，使電壓放大器工作在無(wú)負(fù)載的狀態(tài)（輸出電流為零），而后級(jí)則工作于壓控跟隨器狀態(tài)，很容易實(shí)現(xiàn)很好的跟隨作用。而對(duì)于負(fù)載來(lái)說(shuō)，前后級(jí)是并聯(lián)輸出

13、的，而負(fù)反饋是從取樣電阻引出送回前級(jí)放大器上的。因此，S類(lèi)功放的質(zhì)量取決于前級(jí)。圖3S類(lèi)功放擴(kuò)流電路原理圖S類(lèi)功率放大電路的核心是1個(gè)帶負(fù)載能力很強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)放大器，與負(fù)載之間通過(guò)電橋耦合。假設(shè)放大器的開(kāi)環(huán)增益接近無(wú)窮大，那么放大器兩輸入端的電壓將極度接近，用公式表示為：I1R1=I2R2,I3R3=I4R4。若放大器輸入阻抗無(wú)窮大，放大器兩輸入端的電流近似為零，則I2=I4,可得，I1=I2R2R3/R4R1;電橋平衡時(shí)，R2R3=R4R1所以I1=I2，因此I1=0。根據(jù)以上推導(dǎo)，說(shuō)明當(dāng)S類(lèi)功率放大電路穩(wěn)定工作后，前級(jí)放大電路工作在空載或輕載狀態(tài)，負(fù)載所需要的電流完全由后級(jí)的電流驅(qū)動(dòng)放大電

14、路提供。這樣，電路對(duì)前級(jí)壓控電流源的負(fù)載要求不高。綜上所述，只要選擇高輸入性能和強(qiáng)負(fù)載能力的后級(jí)功放芯片，輸出的變化完全由前級(jí)決定。而前級(jí)工作在空載狀態(tài)，其性能基本與負(fù)載的變化無(wú)關(guān)。這樣在設(shè)計(jì)前級(jí)時(shí)，可以拋開(kāi)負(fù)載能力的考慮而直接使用高精度、低失調(diào)的運(yùn)算放大器；設(shè)計(jì)后級(jí)時(shí)，因?yàn)檩敵鋈Q于前級(jí)，不必?fù)?dān)心負(fù)載的加入會(huì)影響它的工作性能，選擇范圍變得更寬。另外，還有T類(lèi)功放，它的核心是Tripath公司發(fā)明了一種稱(chēng)作數(shù)碼功率放大器處理器"DigitalPowerProcessing（DPP）”的數(shù)字功率技術(shù)。總結(jié)：各類(lèi)功放優(yōu)缺點(diǎn)：A類(lèi)：瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25%，且有較大的非線性失真。由于效率比較低現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。B類(lèi)：效率較高（78%），但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是"交越失真"較大。即當(dāng)信號(hào)在-0.6V0.6V之間時(shí)，Q1Q2都無(wú)法導(dǎo)通而引起的。所以這類(lèi)放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。AB類(lèi)：音質(zhì)較好，可以避免交越失真，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特