d类功放芯片介绍

d类功放芯片介绍（精选4篇）

篇1：d类功放芯片介绍

低档运放JRC4558。这种运放是低档机器使用得最多的。现在被认为超级烂，因为它的声音过于明亮，毛刺感强，所以比起其他的音响用运放来说是最差劲的一种。不过它在我国暂时应用得还是比较多的,很多的四、五百元的功放还是选择使用它，因为考虑到成本问题和实际能出的效果,没必要选择质量超过5532以上的运放。对于一些电脑有源音箱来说，它的应付能力还是绰绰有余的。

运放之皇5532。如果有谁还没有听说过它名字的话，那就还未称得上是音响爱好者。这个当年有运放皇之称的NE5532，与LM833、LF353、CA3240一起是老牌四大名运放，不过现在只有5532应用得最多。5532现在主要分开台湾、美国和PHILIPS生产的，日本也有。5532原来是美国SIGNE公司的产品，所以质量最好的是带大S标志的美国产品，市面上要正宗的要卖8元以上，自从SIGNE被PHILIPS收购后，生产的5532商标使用的都是PHILIPS商标，质量和原品相当，只须4-5元。而台湾生产的质量就稍微差一些，价格也最便，两三块便可以买到了。NE5532的封装和4558一样，都是DIP8脚双运放（功能引脚见图），声音特点总体来说属于温暖细腻型，驱动力强，但高音略显毛糙，低音偏肥。以前不少人认为它有少许的“胆味”，不过现在比它更有胆味的已有不少，相对来说就显得不是那么突出了。5532的电压适应范围非常宽，从正负3V至正负20V都能正常工作。它虽然是一个比较旧的运放型号，但现在仍被认为是性价比最高的音响用运放。是属于平民化的一种运放，被许多中底档的功放采用。不过现在有太多的假冒NE5532，或非音频用的工业用品，由于5532的引脚功能和4558的相同，所以有些不良商家还把4558擦掉字母后印上5532字样充当5532，一般外观粗糙，印字易擦掉，有少许经验的人也可以辨别。据说有8mA的电流温热才是正宗的音频用5532。NE5532还有两位兄弟NE5534和NE5535。5534是单运放，由于它分开了单运放，没有了双运放之间的相互影响，所以音色不但柔和、温暖和细腻，而且有较好的音乐味。它的电压适应范围也很宽，低到正负5V的电压也能保持良好的工作状态。由于以前著名的美国BGW-150功放采用5534作电压激励时，特意让正电源电压高出0.7V，迫使其输出管工作于更完美的甲类状态，使得音质进一步改善，所以现在一般都认为如果让正电源高出0.7V音质会更好。5534的引脚功能见（图），价格和5532相当。而NE5535是5532的升级产品，其特点是内电路更加简洁，且输出级采用全互补结构。转换速率比5532更高。不过有个缺点就是噪声较大，频带不够宽，底电压工作时性能不够好，所以用于模拟滤波时效果不如5532理想。但在工作电压大于或等于15V时用作线形放大电路，音乐味会比5532好一些，所以其价格也比5532要贵两三元，其引脚功能和5532一样。

双运放AD827。这枚是AD公司的较新产品，它原本是为视频电路设计的，所以它的增益带宽达50MHZ，SR达到300V/us，它与EL2244一样都是目前市场上电压反馈型双运放的顶级货，一般的运放难望其项背。其高频经营剔透，低频弹跳感优

越，其性能指标与实际听感全面胜过其他很多同类产品，音质被一些人形容为无懈可击。且在正负5V的供电下仍有优异的性能。但其价格也稍微昂贵，30多元。脚位功能和5532相同。

双运放OP249。该运放是美国PMI公司的产品，厂家声称是用以取代OP215、LT1057等运放的，LT1057是属于动态大，解析力高，音色冷艳清丽的一种，搭配东芝的暖色名管就很合适。而OP249则和它不同，其输入级采用JFET，主要特点是显中性，无什么个性，声音平衡、自然而准确，所以体现了HIFI的真谛。塑封的才15元，陶瓷封装30多元，具有较高的性价比。不过要是对音色的喜好有偏重的朋友可能不大喜欢。

双运放OP275、OP285：它们也是PMI公司的产品，内部电路采用双级型与JFET型混合结构。其音色很有个性，低噪声，声音轮廓鲜明，解析力高，声音柔顺，中频具有胆机柔美润泽的特点，人声亲近。价格适中，而且性能稳定。适合用来打摩声音单薄、毛糙的CD、解码或放大器。它们的封装形式和引脚功能也和5532一样。OP275现在的市面价格为10元、OP285 15元。

顶级运放OPA627。BB公司的OPA627是目前为止最高档的运放，也是采用场效应管输入方式，音色温暖迷人，但其价格简直吓人，达到150元，所以不是顶级的机器一般不会用到这么昂贵的运放，性能上是否能达到这个价格也见仁见智，不过听过OPA627的发烧友都一致认为AD827、LT1057等根本无法与之比拟。胆味运放OPA604与 OPA2604。这两种运放都是Burr Brown公司的产品，OPA604为单运放，OPA2604为双运放。它们都是专为音频而设计的专用运放，音色醇厚、圆润，中性偏暖、胆味甚浓，是被誉为最有电子管音色的运算放大器。当年的价格也不低，但还是被许多音响发烧友选为摩机升级机器的对象。现在这两种运放的价格都已较为合理，OPA604为25元，OPA2604要40多元，发烧友用来摩机是不错的选择。

07.10.10

1．音频功率放大集成电路 音响系统中使用的音频功率放大集成电路除上述介绍的厚膜功率放大集成电路外,还有半导体运算功率放大集成电路(具有高放大倍数并有深度负反馈的直接耦合放大器).常用的音频功率放大集成电路有TA7227、TA7270、TA7273、TA7240P、TDA1512、TDA1520、TDA1521、TDA1910、TDA2003、TDA2004、TDA2005、TDA2008、TDA1009、TDA7250、TDA7260、μPC1270H、μPC1185、μPC1242、HA1397、HA1377、AN7168、AN7170、LA4120、LA4180、LA4190、LA4420、LA4445、LA4460、LA4500、LM12、LM1875、LM2879、LM3886等型号.2．数码延时集成电路 数码延时集成电路主要用于卡接OK系统中,其内部通常由滤波器、A/D转换器、D/A转换器、存储器、主逻辑控制电路、自动复位电路等组成.常用的数码延时集成电路有YX8955、TC9415、IN706、ES56033、CXA1644、CU9561、BU9252、BA5096、PT2398、PT2395、GY9403、GY9308、YSS216、M65850P、M65840、M65835、M65831、M50199、M50195、M50194等型号.3．二声道三维环绕声处理集成电路 音响系统中使用的二声道三维(3D)环绕声系统有SRS、Spatializer、Q Surround、YMERSION TM和虚拟杜比环绕声系统.常用的SRS处理集成电路有SRSS5250S、NJM2178等型号.Spatializer处理集成电路有EMR4.0、PSZ740等型号.Q Surround处理集成电路有QS7777等型号.YMERSION TM处理集成电路有YSS247等型号.4．杜比定向逻辑环绕声解码集成电路 杜比定向逻辑环绕声解码系统是将经过杜比编码处理过的左、右二声迹信号解调还原成四声道(前置左、右声道和中置声道、后置环绕声道)音频信号.常用的杜比定向逻辑环绕声解码集成电路有M69032P、M62460、LA2785、LA2770、NJW1103、YSS215、YSS241B、SSM-2125、SSM-2126等型号.5．数码环绕声解码集成电路 音响系统中使用的数码环绕声系统有杜比数码(AC-3)系统和DTS系统等,两种系统音频信号的记录与重放均为独立六声道(即5.1声道,包括前置左、右声道和中置、左环绕、右环绕、超重低音声道).常用的杜比数码环绕声解码集成电路有YSS243B、YSS902等型号.常用的DTS数码环绕声解码集成电路有DSP56009、DSP56362、CS4926等型号.BBE音质增强集成电路有BA3884、XR1071、XR1072、XR1075、M2150A、NJM2152等型号.7．电子音量控制集成电路 电子音量控制集成电路是采用直流电压或串行数据控制的可调增益放大器,其内部一般衰减器、锁存器、移位寄存器、电平转换电路等组成.常用的电子音量控制集成电路有TA7630P、TC9154P、TC9212P、LC7533、XR1051、M51133P、AN7382、TCA730A、TDA1524A、LM1035、LM1040、M62446等型号.8．电子转换开关集成电路 电子转换开关集成电路是采用直流电压或串行数据控制的多路电子互锁开关集成电路,内部一般由逻辑控制、电平转换、锁存器、变换寄存器、模拟开关等电路组成.常用的电子转换开关集成电路有LC7815(双4路)、LC7820(双10路)、LC7823(双7路)、TC9162N(双7路)、TC9163N(双8路)、TC9164N(双8路)、TC9152P(双5路)和TC4052BP(双4路)等型号.9．扬声器保护集成电路 扬声器保护集成电路可以在功放电路出现故障、过载或过电压时,将扬声器系统与功放电路断开,从而达到保护扬声器和功放电路的目的.扬声器保护集成电路内部一般由检测电路、触发器、静噪电路及继电器驱动电路等组成.常用的扬声器保护集成电路有TA7317、HA12002、μPC1237等型号.10．前置放大集成电路 前置放大集成电路属于低噪声、低失真、高增益、宽频带的运算放大器,有较高的输入阻抗和良好的线性.常用的前置放大集成电路有NE5532、NE5534、NE5535、OP248、TL074、TL082、TL084、LM324、LM381、LM382、LM833、LM837等型号.秀涛电子 更多资料请查看官方网站

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篇2：D类功放开关电源的设计与实现

D类功放电源与一般的开关电源相比最大的不同之处在于功放电源的滤波电容一般非常大, 可以达到几万甚至几十万μF。这种情况下一般的开关电源由于其输出电流所限, 无法快速地使得输出电压建立起来。而本文中提出了变频启动的方案有效地解决了这个问题。另一方面, 为了提高整个电子整流器的功率因数, 适应高要求的工作场合, 减少对电网的污染, 通常需要结合功率因数校正环节。本文中采用的是基于IR 1150的有源功率因数校正电路, 这一款芯片采用的是单周期控制技术, 因此动态响应迅速, 输出稳定, 校正后的功率因数可达到0.99以上。下面首先介绍功放开关电源的设计。

1 D类功放开关电源简介

2.1 D类功放专用开关电源的特点

D类功放, 即数字功放, 其功率管的驱动信号是由信号源与锯齿波信号比较得到, 而其工作电流则由前级的功放电源提供, 图1便是典型的功放电源的组成示意图。

D类功放用电源与普通开关电源主电路结构是相同的, 不同之处在于功放电源的滤波电容较普通电源要大很多, 这是因为功放电源的滤波电容不仅仅只起到滤波的作用, 它还有一些其他作用:

(1) 根据电容“隔直通交”的特性, 较大的滤波电容可以有效滤掉交流信号, 使得电压波形更为平滑。更为重要的是这些交流干扰信号如果不经滤除, 给后级的功放引入干扰, 严重时甚至影响音质。

(2) 出于对声音音色的要求, 不同频段的信号源可能需要功放输出不同的功率, 有时需要电源瞬时提供大电流。这就需要滤波电容足够大以保证电流输出同时电压的平稳。

(3) 为音频信号提供通路, 只有滤波电容足够大, 其寄生电感足够小时, 音频信号中的高频信号才能通过, 使得经过功放后的音质及音色得以保证。因此功放滤波电容应当采用小电容并联的方式以减小寄生电感的影响。

但是如此之大的滤波电容在电源启动时充电过程又是十分缓慢的, 并且充电时的冲击电流也非常大, 普通电源根本无法承受如此巨大的电流。本文中采用的变频启动可以很好地解决这一问题。

2 D类功放开关电源的主电路设计

2.1 半桥式逆变的主电路结构

主电路部分采用半桥式逆变电路, 针对上文提到的上电时的冲击电流大的问题, 振荡器选择了IR2156。图2即是基于这一款芯片的半桥式逆变以及整流滤波电路图。

IR2156本是一款荧光灯专用的驱动芯片, 但是由于荧光灯点亮过程中一样需要通过很大电流, 因此IR2156非常适合驱动功放开关电源。IR2156最大的特点在于:通过外部电路参数的配置可以设定启动时的工作频率以及维持的时间, 而在启动完成时则工作在另一频率[2]。依据这一功能, 采用高频启动就可以安全迅速地启动, 具体原理如下:

假定高频启动时功率管开关频率为200 kHz, 正常工作时频率为50 kHz, 上下桥死区时间为500 ns。那么200 kHz时实际占空比为40%, 50 kHz时实际占空比为47.5%。因此在高频启动的过程中滤波电容上所加电压要小于稳定工作时的电压, 而电容充电时的冲击电流也因此减小。而当工作频率由200 kHz向50 kHz滑动时, 电容充电电流虽然还会增加, 但已经不会形成冲击, 反倒可以加快电容的充电过程, 使电压迅速升高到稳定工作电压。

另外, 根据不同的负载, IR2156的高频启动时间可以通过Cph电容的取值来改变。

2.2 IR2156高频启动过程的仿真

为了更好地指导硬件电路的设计, 本文使用内嵌Pspice模型的Orcad电力电子仿真软件对IR2156 的高频启动推动大电容负载的工作状态进行了仿真验证。仿真原理图如图2在DC/DC开关电源的应用中, 输出负载端外接电容能起到滤波、抑制干扰的作用, 在某些大容性负载动态跳变的设备中, 要求电源输出端有快速响应, 这就要求开关电源有较强的带容性负载的能力, 并且有好的稳定性能。传统的开关电源振荡频率是恒定不变的, 而IR2156却具有频率可调的高频启动过程, 这一点使得基于IR2156的开关电源具有带大电容负载的能力。

图3是在Orcad中构建的IR2156内部原理仿真及半桥逆变仿真电路图, 其中用理想开关模型S代替了芯片内部实现开关功能的三极管。电路参数设置如下:启动开关频率160 kHz, 稳定工作开关频率50 kHz, 设定输出电压70 V, 功率200 W, 负载电容40 000 μF, 启动时间600 ms。

从图4可以看出, 和设想的一样, 采样高频启动的工作方式, 在启动瞬间的冲击电流并不是很大, 频率变动的过程中电流也随着上升但并没有超出设计的保护值。

2.3 实验结果及结论

在仿真的基础上, 进行了实际硬件的调试, 结果基本与仿真一致, 图5是电流采样电阻两端的波形, 图6是70 V输出电压建立的过程, 建立过程中第一个“台阶”, 是由于前文提出的高频启动引出的低电压启动。第二个“台阶”, 是由于前级PFC采取的是后供电的策略, 导致的电压在PFC工作后进一步升高。

3 PFC部分的设计与实现

由于功放电源的容性负载, 会给电网注入大量的高次谐波, 导致电网侧的功率因数很低, 同时对电网的其他电气设备造成严重的谐波污染和干扰[3,4]。在电源的前级添加PFC电路可以大幅增加功率因数, 特别是有源PFC电路校正后的功率因数接近于一。本文中采用的是基于IR公司的PFC专用芯片IR1150的有源PFC, 下面将详细它的介绍设计与实现。

3.1 IR1150的工作原理

IR1150控制策略采用的是单周期控制技术, 即依据输入电流采样反馈信号和输出电压采样反馈信号准确快速地调节每个开关周期的开通时间。图7即是典型的单周期控制的BoostPFC电路, 输出电压反馈回来后经过PI调节器, 再通过带有复位开关的积分电路, 便形成上升斜率不同的锯齿波, 与电感电流采样信号比较, 最后输出脉宽可调的PWM波。在反馈的过程中, 两种反馈信号分别作用在不同方面, 电压反馈信号决定了锯齿波的斜率, 即决定了PWM波占空比的一个基值, 进而调节输出电压使其稳定。电流反馈信号则对PWM占空比进行了细调, 以保证输入电流畸变时对波形的即时修正, 从而降低输入电流的总谐波失真度。

3.2 单周期控制技术分析

无论采用任何的控制策略, PFC最终的目的是要实现输入电流IIN与输入电压UIN同相位并对应成比例, 即

VIN=IINRIN (1)

式 (1) 中RIN为PFC变换器等效输入阻抗。

下面分析单周期Boost型PFC是如何实现上述等式的:

VIN=VOUT (1-D) (2)

合并式 (1) 与式 (2) 可得:

IINRIN=VOUT (1-D) (3)

式 (3) 两边同乘以输入电流采样电阻RS, 可得:

undefined (4)

式 (4) 中Vs是电流采样电压值。

如果输出电容足够大, 那么Vs可认为是在一个周期内恒定的, 对上式两边同时积分, 可得:

undefined (5)

由式 (5) 便可以构造出OCC的控制方程:

undefined (6)

只需要比较等式两端就可以得到所需的占空比, 也因此得出了图7所示的反馈控制环节。

3.3 基于IR1150的PFC仿真

同样使用Orcad仿真软件, 仿真电路主要参数如下:Boost电感1.3 mH, 开关频率50 kHz, 电流采样电阻0.075 Ω, 电压采样电阻12 kΩ, 输出滤波电容300 μF, 输出功率400 W。仿真结果见图8和图9。

3.4 实验结果及结论

实际硬件电路的各项参数与仿真中的参数相近。实验结果与仿真结果也基本吻合。输入电流波形如图10所示, 功率因数达到0.99。总谐波失真度小于1%。

4 结论

本文设计了一种应用于D类功放的带有PFC的半桥式开关电源, 重点针对功放开关电源输出滤波电容大的特点, 设计了变频启动的工作方式, 较普通电源有输出电压纹波小, 输出电压建立时间短等诸多优点。

摘要：介绍了一种具有变频启动功能、可驱动超大电容负载的功放开关电源;同时在前级添加了有源PFC。另外为了更好地辅助硬件电路参数的设计, 还分别针对PFC及功放电源两部分进行了Pspice电路仿真。仿真及实验结果表明:这种功放开关电源可以稳定推动4万μF大电容负载, 而前级的PFC环节功率因数近乎为1, 且总谐波失真度小于3%。

关键词：功放开关电源,大电容负载,PFC,Pspice仿真

参考文献

[1]周虎.开关功放电源的研究.成都:西南交通大学研究生学位论文, 2007

[2]陈熹, 李明.新型电子镇流器控制芯片.电源技术应用.2002;5 (8) :396—400

[3]王玉峰, 肖永江.单相BOOST功率因数校正主电路模型的建立.电气传动自动化.2002;24 (1) :34—36

[4]朱锋, 龚春英.单周期控制Boost PFC变换器分析与设计.电力电子技术, 2007;41 (1) :100—102

篇3：d类功放芯片介绍

一、需要解决的主要问题

1. 要有一个使用功率场效应管的H桥功放;

2. 需要一个解调电路, 以还原音频信号, 即低通滤波器;

3. H桥需要驱动电路;

4. 因为H桥工作在高频开关状态, 所以需要死区控制电路;

5. 需要一个音频放大器, 以提高音源信号幅度, 并作为调制波电路;

6. 需要一个载波发生器;

7.. 需要一个调制电路。

从而有D类功放的框图如图1。

二、电路设计

1.H桥及滤波电路设计

H桥及滤波电路比较简单, 如图2所示。

H桥用4只场效应管组成, Q1、Q2组成一个桥臂, Q3、Q4组成另一个桥臂, 滤波电路与一般D类功放一样采用由L1、L2、C1、C2组成一个低通滤波器。它的工作过程是:当前级驱动正半周时, 电流由VDS→Q1→L1→Y→L2→Q4→地;负半周时, 电流由VDS→Q3→L2→Y→L1→Q2→地。Q1-Q4选用N沟道功率场效应管BUZ11, 其参数如下:75W/30A/50V/0.05Ω;L1、L2选100μF/2A, 电容C1、C2选0.47μF。

2.驱动电路设计

驱动电路的任务是驱动H全桥的场效应管, 为了驱动高端管子, 驱动电路应具有自举浮地功能。这里可以选用两只廉价的IR2101来实现。IR2101内部框图、引脚图如图3 (a) 、 (b) 所示。

IR2101的引脚功能如下:

引脚7是高端输出 (HO) , 引脚5是低端输出 (LO) , 引脚1是低端电源电压 (VCC) , 引脚8是高端浮置电源电压 (VB) , 引脚4是低端电源公共端 (COM) , 引脚6是高端浮置电源公共端 (VS) , 引脚2是高端逻辑输入控制端, (HIN) 引脚3是低端逻辑输入控制端 (LIN) 。

使用IR2101的驱动电路如图4所示。

为了降低成本和简化电路, 也可以采用脉冲变压器驱动, 电路如图5所示。

3.载波、调制、死区电路设计

载频发生器、调制电路、死区控制电路可以由一片SG3525A实现。SG3525A是电压控制模式的PWM控制与驱动器 (UC3525A、KC3525A同, 用SG3525B可以直接替换) , 它主要用于开关电源。它的内部主要由基准电源、误差放大器、振荡器、PWM比较器、触发器、输出电路等组成, 封装形式有16脚DIP封装, 其引脚功能及特点如下:

1脚:误差放大器反相输入;2脚:误差放大器同相输入;3脚:振荡器外同步控制输入, 若采用内部振荡时钟信号, 该脚悬空或接高电平;若采用外同步时钟信号, 该脚接地, 并且外同步时钟应从4/5脚输入;4脚:内部振荡器输出端, 外同步时为外同步时钟输入端;5脚:外接定时电容端;6脚:外接定时电阻端, 与5脚共同决定内部振荡器的振荡频率;7脚:外接放电电阻端, 它与5脚电容决定PWM驱动信号A路输出与B路输出间的死区时间;8脚:外接软启动电容端;9脚:内部PWM比较器输入端;10脚:外部控制端, 接低电平时芯片内部工作;接高电平时, 芯片内部被关断;11脚:PWM驱动信号A路输出;12脚:地端;13脚:集电极开路输出端, 应用时, 一般与Vin间接一个小阻值电阻;14脚:PWM驱动信号B路输出端;15脚:芯片电源端;16脚:内部基准电源输出端。其内部框图如图6所示。

SG3525A的内部振荡器为一个三角波发生器, 它的振荡频率由6脚的电阻和5脚的电容决定。内部还有一个PWM比较器, 当9脚输入电压发生变化时, 三角波和输入电压的交点发生变化, 比较器输出脉宽发生变化, 从而实现脉宽调制 (PWM) 。如果我们在其9脚输入具有输入音频信号幅值和频率信息的直流电压, 则其输出脉宽就一定反映音频信号幅值和频率的变化。由SG3525A构成的音频SPWM电路如图7所示。其振荡频率f0可以选择在300k Hz上下, 它与Rt、Ct、Rd有关, 可以在其数据手册中通过查表得到。一般的表达式为:f0=1/Ct (0.67Rt+1.3Rd) ;R1选2.2Ω, R2选4.7Ω, Rd (图中R3) 选10Ω。

4.音频放大器设计

音频放大器用运放构成, 如图8所示。

为了将音频叠加在直流电压上送至SG3525A的9脚, 将双电源运放设计成单电源应用, 这样既放大了音频信号又将SG3525A的9脚偏置在一定的直流电压上, 即, 使SG3525A在无信号输入时的中心脉冲占空比偏置在一定值上。图中运放采用OP07, 其同相输入端由R2、R3, 分压后偏置在U3=VCC*R3/ (R2+R3) 上, 使其6脚亦即SG3525A的9脚也偏置在此值上, 在无信号输入时SG3525A的输出脉冲占空比也偏置在相对应的值上;当有音频信号输入时, OP07的输出6脚即SG3525A的9脚直流电压为:

则, U9的波形示意如图9。

由图可知, SG3525A的9脚直流电压按输入信号规律变化。则, SG3525A输出脉冲占空比随输入信号在偏置点上下按信号规律变化, 从而实现SPWM调制。

R1=R2=R3=47K, R4=250K, C1=C2=1μf, 输入电位器为10K。

5.整体电路

整体电路如图10所示。

三、结论

篇4：d类功放芯片介绍

进入21世纪以后,各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势[1]。从作为通信工具的手机,到作为娱乐设备的MP3播放器,已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机,便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点,就是都有音频输出,也就是都需要有一个音频放大器;另一个特点就是它们都是电池供电的,都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下,D类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率[2]。

高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。因为,功率越大,效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率[3]。这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。D类放大器在这些设备中也扮演了极重要的角色。

本文从实用出发,设计了一款改进型的音频功率放大器。这款无滤波器2.5W小功率单声道的音频放大器,经过测试,具有失真小(THD<0.5%),效率高(>80%)等优点,比较适合于无线,手机和掌上电脑的器件使用,具有较高的性价比和较好的应用前景。

2 芯片设计和测试

2.1 芯片电路功能模块和简介

通过对于D类功放的概念的学习与了解,在掌握相关知识和参考对照下,综合绘出所设计的D类放大器的模块图。图1给出了系统的功能模块图。

D类功放各单元电路介绍如下:

1)前置和运算放大器

前置放大器是在功率放大器之前而加入的一级放大电路,其目的是对输入的功率放大器的各种信号源进行加工处理,或放大,或衰减,或进行阻抗变换,使其和功率放大器的输入灵敏度相匹配。对其要保证低噪声,高信噪比,高转换速率,输出电阻要小以及频带要宽等要求。为此在差分输入对管要选用低噪声优质的结型场效应管,运算放大器应选用低噪声,高速器件,电阻电容选用高精度,高稳定度以及高质量元件[4]。

2)脉冲宽度调制(PWM)电路

PWM调制也称为脉冲宽度调制器,该电路的作用是把加在它的输入端的模拟信号编程宽度或者占空比与输入信号成正比的脉冲[5]。它由三角波产生器(有的D类功放使用锯齿波发生器)电压比较器和驱动功率场效应近体关的栅极驱动电路组成。三角波产生器是利用恒定电流对一个电容器的充电和放电而形成三角波。三角波的频率就是D类功放的振荡器频率,是固定的。

脉冲宽度调制电路将直接影响音频功率放大器的性能指标。对于高频载波三角波,为了减小输出音频信号的非线性失真,要求三角波的三个斜边对称而且具有高的线性度。对于载波频率的要求,理论分析表明,载波频率越高,功率放大器的输出高频干扰越容易滤除,输出波形失真也越小;但是功率放大器的开关频率也升高,这将大大的增加开关器件的开关损耗,造成功放的效率下降。

3)三角波发生器

三角波发生器电路采用迟滞过零比较器加反相积分器组成的典型电路结构,为了保证三角波在高频输出信号下的线性度以及PWM脉冲信号边沿的陡峭度,运算放大器以及电压比较器均采用高速的器件。

4)驱动电路

对于驱动电路的要求一是把PWM信号整形成前后沿更加陡峭的脉冲;而是能倒相形成PWM和PWM???两个脉冲以满足H桥功率开关管的要求;三是为了防止同一桥臂上两功率管直通,PWM和PWM???两个脉冲之间要有一定的死区时间;四是应具有保护功能,当负载出现过流或短路时,应该封锁脉冲信号输出[6]。

5)H桥式功率放大电路(功率输出电路)

功率输出电路通常由两只功率MOSFET组成,并采用双电源供电,脉冲宽度调制器所输出的两路脉冲信号决定这两只功率MOSFET的状态,一路脉冲信号加在MOSFET的栅极,控制它的状态,另外一路脉冲信号加在另一MOSFET的栅极控制其状态。当一管导通,二管截至时,电流经过低通滤波器进入负载;当二管导通,一管截至时,进入负载电流相反。

很多D类放大器使用全桥的输出级。全桥输出由两个半桥结构的差分的驱动负载。这种负载连接通常被称为桥式连接负载(BTL)。H桥功率放大器的任务是把PWM信号中的调制信号解调出来,即开关式功率放大器就是一逆变器电路。对于逆变器的设计首先要选择开关频率高,导通电阻小的场效应管;其次采用H桥式逆变电路,目的是使输出电压摆幅可以升高到接近两倍的电源电压,增大功率放大器的最大不失真输出功率;再者为了减少输出电压的非线性失真,逆变器的输出端应接入LC低通滤波器。

6)保护电路

为了加强芯片的性能,提高竞争优势,在电路中的加入过压过流保护电路,具体当芯片发生输出引脚与电源或地短接,或者输出之间短路时,过流保护电路会关断芯片输出以防芯片被损坏。短路故障消除后,芯片可以自动恢复工作;当电源电压过低的时候,芯片也会自动关断,电源电压恢复后,芯片再次启动。

2.2 芯片电路与版图布局

利用Cadence的EDA工具绘制完成电路晶体管级设计可以得到芯片电路图如图2。

平面布局可以成就也可以毁掉一个芯片。一个好的平面布局可以使芯片的版图很容易且很快地完成。平面布局包括芯片内基本单元的布置、压焊块位置、电路保护单元的布置及电源线和地线的布置等[7,8]。本文设计的D类功放版图整体平面布局如图3所示。

2.3 流片与测试

经过流片后,可以看到,封装好的芯片,长度大约为3mm,连同管脚在内长度大约为5mm,很适合在便携式电子产品上运用。

采用CSMC 0.5um工艺流片,利用安捷伦测试套件对芯片性能进行测试,可以得到下列测试结果。

通过图5可以看到,D类功放的效率随着输出功率的增加而增加,当输出功率大于0.6W时,效率基本不变,维持在89%左右,这也是所设计的D类放大器的效率,符合了所设计的高效的功率放大器的初衷,另外,效率也随着电源电压和输出负载的增加而增加,而且在输出功率很低的情况下(0.2W)就能迅速达到80%以上,相比之下,在同样的电源电压和输出负载下,AB类放大器效率几乎呈线性增长,在相同输出功率下的效率比D类放大器相差甚远,只有在输出功率较大的情况下效率才达到将近70%,已然到了极限。

THD(总谐波失真)与电源电压和输出负载有关。如表1根据测试的数据显示,当输出功率在1W以下的时候,THD都很小,在0.2%附近,当输出功率接近2W时,THD一下从1%以下跳变到10%。

3 总结

本设计采用CSMC0.5um工艺,利用Cadence的EDA工具完成电路晶体管级设计、前仿、物理版图设计、后仿和流片,芯片面积为1.45mm×1.45mm。结果表明,本文设计的CLASS D电源电压范围为2.5V-5.5V,在4负载5V电压下实现2.5W的最大功率输出,当输出功率大于0.1W时效率高于80%,低频(<1kHz)范围内电源抑制比PSRR小于-60dB,THD小于0.5%。上述结果表明该CLASS D基本达到设计指标。

摘要：D类音频功率放大器因为它具有失真小,输出功率大,效率高等优点,性价比较高,比较适合于无线,手机和掌上电脑的器件使用,应用前景较为广泛。它设计了一款2.5W单声道的D类音频功率放大器,采用CSMC0.5um工艺,利用Cadence的EDA工具完成电路晶体管级设计、前仿、物理版图设计、后仿和流片,结果表明效率高于80%,总谐波失真(THD)小于0.5%,符合设计要求。

关键词：D类放大器,音频功率放大器,无滤波调制,PWM,CSMC0.5um工艺

参考文献

[1]CLASS D音效功率放大器产业[EB/OL].http://www.ibt.com.tw/UserFiles/File/950214-Report.pdf.

[2]电子工程世界综合资讯[EB/OL].http://www.eeworld.com.cn/.

[3]Ivo Barbi et al.Buck Quasi-Resonant Converter Operating at Constant Frequency Analysis Design and Experimention[J].IEEE Trans.onPower Electronic,1990,5(3):276-283.

[4]刘静.CLASS D音频功率放大器设计[D].北京:北京交通大学,2008.

[5]茅于海.漫谈D类.音频放大器[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/bd4d0be9856a561252d36f6e.html

[6]Phillip E.Allen,Douglas R.Holberg.CMOS模拟集成电路设计[M].2版.冯军,李智群,译.北京:电子工业出版社,2005.

[7]JohnP.Uyemura.超大规模集成电路与系统导论[M].北京:电子工业出版社,2004:414-416.