D类音频功率放大器

PowerAnalogMicrosystem1D类音频功率放大器美国PowerAnalog微电子公司首席科学家茅于海PowerAnalogMicrosystem2放大器的分类（一）甲类放大器:效率约为20%PowerAnalogMicrosystem3放大器的分类（二）乙类放大器:效率约为50%PowerAnalogMicrosystem4放大器的分类（三）甲乙类放大器:效率约为50%PowerAnalogMicrosystem5放大器的分类（四）z甲类放大器－失真最小，静点工作电流最大，效率最低z乙类放大器－失真较大，静点工作电流最小，效率较高z甲乙类放大器－失真中等，静点工作电流中等，效率中等z丙类放大器－失真极大，主要用在射频调谐放大器中zD类放大器－或丁类放大器，不是工作点的不同，而是工作原理完全不同的新型放大器，也有人称之为数字放大器PowerAnalogMicrosystem6D类放大器的工作原理PWM（脉宽调制）的工作原理PowerAnalogMicrosystem7D类放大器的构成锯齿波发生器比较器＋－输入信号功放低通滤波脉宽调制信号PowerAnalogMicrosystem8D类放大器的原理图（一）单端输出PowerAnalogMicrosystem9D类放大器的原理图（二）加负反馈的D类放大器PowerAnalogMicrosystem10D类放大器的原理图（三）桥式输出(BTL)的D类放大器PowerAnalogMicrosystem11D类放大器的性能z极高的工作效率，在二十瓦以内不需要散热器z最少的外部工作元件z很小的总谐波失真（THD＋N）z无外部滤波器时（利用喇叭线圈作为滤波器）会产生电磁波辐射干扰（EMI）z采用专门的无滤波器D类放大器可以在没有输出滤波器的情况下，得到很小的静点电流和很低的电磁干扰（EMI）PowerAnalogMicrosystem12无滤波器D类放大器z普通D类放大器都需要输出低通滤波器，以滤去脉宽调制的脉冲z如果不加滤波器，会引起静点电流的增大，和EMI的增大z无滤波器D类放大器采用了不同的调制技术可以避免静点电流的增大，还能够减小EMIzTI最早在2001年提出了无滤波器技术的专利z龙鼎微电子公司在2007年申请了新的无滤波器专利，并成功地推出了PAM8803三瓦D类功放PowerAnalogMicrosystem13D类放大器的输出功率（一）zD类放大器的输出功率和喇叭阻抗有极大的关系。z从输出功率Po=I2R来看，好像是和R成正比，好像R越大，输出功率就越大，实际正好相反z因为电流是和R成反比，所以输出功率接近和R成反比z准确地说：Po=(V/1.414(2Rdson＋RL))2*RL,z假定V＝5伏，Rdson=0.25欧姆，RL＝4欧姆输出功率就是2.47瓦；RL＝8欧姆，P＝1.3845瓦PowerAnalogMicrosystem14D类放大器的输出功率（二）zD类放大器的输出功率和失真度有很大关系z也和PWM的调制度有关z对于正弦波上面公式中采用1.414z如果是100％PWM调制的矩形波（直流）就是1.0z如果失真度是10％，则可以近似地采用1.3PowerAnalogMicrosystem15D类放大器的效率(一)z末级晶体管工作于开关状态z理想开关效率为100％z截止时的损耗可以忽略z主要为导通时的电阻Ron效率＝RL/(2Ron+RL)PowerAnalogMicrosystem16D类放大器的效率（二）z主要由末级导通电阻值Ron决定z若负载电阻为4欧姆，导通电阻为0.1欧姆，则效率为95％z若导通电阻增大至0.3欧姆，负载电阻不变，则效率降低为87％z若导通电阻增大至0.5欧姆，负载电阻不变，则效率降低至80％PowerAnalogMicrosystem17D类放大器的效率（三）PowerAnalogMicrosystem18D类放大器的效率（四）z因为在播放语言或音乐时，放大器大多数时间都工作于低输出功率的状态，所以D类放大器的效率平均比AB类放大器的效率高2.5到3倍z这种高效率的特点决定了D类放大器特别适合用于便携式设备（延长电池寿命，不需要散热器而减小体积）和特大功率设备（减小功耗）中PowerAnalogMicrosystem19D类放大器的效率和AB类的比较播放正弦波、语音、音乐信号时峰值功率和平均功率之比效率(%)音频信号源峰值因素（dB）实际平均输出功率（瓦）AB类放大器D类放大器正弦波314580语音信号90.252480音乐信号150.0631275耗散功率（热量）PowerAnalogMicrosystem20D类放大器的失真（一）z主要考虑非线性失真或总谐波失真THD＋N其产生是由于：z采样时的脉宽误差和量化误差z驱动管的死区和延时z功放管的导通时间和体二极管恢复z输出滤波电感和电容的非线性PowerAnalogMicrosystem21D类放大器的失真（二）0.011000.020.050.10.20.5125102050%600u31m2m5m10m20m50m100m200m500m12W典型的THD＋N和输出功率的关系（8欧姆，1kHz,6V）PowerAnalogMicrosystem22D类放大器的滤波（一）z末级晶体管输出的是脉宽调制的矩形波z必须经过低通滤波才能滤出音频信号z动圈式喇叭本身具有电感z如果采用较高的矩形波频率就很容易滤除高频PowerAnalogMicrosystem23D类放大器的滤波（二）z过高的矩形波频率会导致效率降低，失真加大z无滤波器方案会在放大器和喇叭之间的引线上引起较大的射频辐射干扰z除非采用专门的“无滤波器”D类功放z简单的滤波器就可以很好地解决射频干扰问题还可以提高效率z在无滤波器D类功放也可以采用磁珠和小电容（200pF)，以进一步减小EMIPowerAnalogMicrosystem24D类放大器的滤波（三）开关频率＝1MHzL=10uH,C=0.146uF开关频率＝1MHzL=5uH,C=0.146uFPowerAnalogMicrosystem25D类放大器的芯片PowerAnalogMicrosystem26D类放大器的应用－手机z极其有限的电池寿命z极其有限的空间z要求中等的音质z单声道或立体声（在MP3或音乐手机中）z但必须防止射频干扰PowerAnalogMicrosystem27D类放大器的应用－MP4播放器z电池寿命短z音质要求高z空间极其有限z无射频部分z要有立体声（耳机〕z或单声道喇叭LCDDisplayCPUDSPUSBBatteryChargerBatteryDACNANDFlashVoltageRegulatorsClass-DAudioAmp.SDOrCFUserkeyWhiteLEDBacklightPowerAnalogMicrosystem28D类放大器的应用－便携式DVD播放机z有限电池寿命z有限空间z中等音质z要求立体声z无射频部分MPEGDecoderDVDDriverCVBSProgressiveTVEncoderS-VideoFrameBufferROMAudioProcessingClass-DAudioAmp.BatteryChargerBatteryVoltageRegulatorsPowerAnalogMicrosystem29D类放大器的应用－便携式电视机z模拟或数字式z有限电池寿命z有限空间z音质要求中等z要有立体声(喇叭或耳机）z有射频部分ToLCDPanelDigitalYUVSignalAudioD/AMPEGDecoderRFTVTunerQAM/DMB-T/QPSKScalerOSDLVDSAdvancedVideoprocessorFrameBufferROMFrameBufferClass-DAudioAmp.PowerAnalogMicrosystem30D类放大器的应用－LCD电视机z模拟或数字式z有限空间（不能用散热器）z音质要求很高z要有立体声(喇叭）z功率要大（6W以上）z有射频部分（EMI要小）ToLCDPanelDigitalYUVSignalAudioD/AMPEGDecoderRFTVTunerQAM/DMB-T/QPSKScalerOSDLVDSAdvancedVideoprocessorFrameBufferROMFrameBufferClass-DAudioAmp.PowerAnalogMicrosystem31D类放大器的应用－笔记本电脑z有限的电池寿命z有限的空间z要求中等音质z要求立体声z无射频部分CPUDRAML2Cache256K2.5VHostBus66-100MHzPCIBridge3.3VPCIBus33MHzLCXLCXLCXLCXGraphicsCardBusIDEAudioClass-DAudioAmp.BatteryChargerBatteryVoltageRegulatorsPowerAnalogMicrosystem32D类放大器的应用－手提式对讲机z有限空间z有限电池寿命z低音质要求z单声道DuplexerLNAPowerAmpVCOPLLVCOIFAmpl.Ampli-fierFMDiscri-minatorPre-ampl.Class-DAudioAmp.Modu-latorPowerModule/BatteryAntennaPowerAnalogMicrosystem33D类放大器的应用－汽车音响z电源比较有限z体积比较有限z要求较高音质z要求立体声Class-DAudioAmp.LNAVCOIFAMDetectorLNAVCOIFFMDemod.AMReceiverFMReceiverLaserPickupCDDriveSwitchDACPowerAnalogMicrosystem34D类放大器的应用－其它传统音响设备z包括免提电话机、台式机有源音箱、电视机、功放、家庭影院z无体积限制z无电源限制z无空间限制z必须在性能和价格上和模拟功放竞争PowerAnalogMicrosystem35各种应用一览表MP3播放机手机便携式DVD便携式TV笔记本PC对讲机汽车音响台式机音箱电视机音响功放电池寿命极其有限相当有限比较有限比较有限有限比较有限不太有限无限制无限制无限制立体声较高几瓦-几十瓦无限制空间大小极其有限极其有限比较有限比较有限有限比较有限不太有限无限制无限制声道数立体声单声道立体声立体声立体声单声道立体声立体声多声道音质要求极高不高较高较高普通不高较高普通极高功率要求几百毫瓦1瓦几瓦几瓦几瓦几百毫瓦-几瓦10－20瓦几瓦20瓦以上PowerAnalogMicrosystem36PAM公司的D类放大器产品zPAM8303S，3W（4欧姆，10％THD），无滤波器单声道，高效率（90%),低失真（最低THD＋N＝0.5%）zPAM8403，3W（4欧姆，10％THD），无滤波器立体声，高效率（90%),低失真（THD＋N＝0.5%）zPAM8803S，在PAM8403中集成一个64级的数字音量控制，3W，无滤波器立体声。z极少的外部元件，只有七个电容，不需要电感z即将推出PAM8303D（用于手机），PAM8606和PAM8406（6W，立体声，用于LCDTV），PAM8410（10W，立体声，用于LCDTV）PowerAnalogMicrosystem37PAM芯片的外部元件单声道PAM8303立体声PAM8403PowerAnalogMicrosystem38PAM无滤波器D类功放的EMI符合美国FCC标准PAM8803的EMI测试结果PowerAnalogMicrosystem39D类放大器的全球市场前景z2003年增长200％，至$84Millionz2006年达到350Mz2010将达$1080Mz终将完全取代AB类$0$200$400$600$800$1,000$1,200Millions200520062