圖4.三角波發(fā)生器
---它實際上是一個積分器連接到一個比較器,后者相當(dāng)于一個施密特Schimit 觸發(fā)器。比較器的輸出驅(qū)動這個積分器。比較器輸出的電壓為＋V1和－V1。當(dāng)輸出電壓為－V1時,三角波以m=V1/R6C4的斜率增長。假定三角波的峰值幅度為從＋VTP到－VTP。再假定三角波的周期為T＝1/fT。那么2VTP＝mT/2=V1/2fTR6C4。比較器在其非倒相輸入端的電壓達(dá)到0時,切換其狀態(tài)。這發(fā)生于V1/R8=VTP/R7。所以,三角波的頻率就等于
fT=R8/4R6R7C4,VTP＝V1R7/R8
---根據(jù)所要求的三角波頻率就可以選擇適當(dāng)?shù)脑盗恕?/P>
---為了降低失真,在D類放大器中也經(jīng)常采用負(fù)反饋。圖5就是一個最簡單的加了負(fù)反饋的D類放大器。
圖5.加了負(fù)反饋的D類放大器
---此外,為了增加D類放大器的輸出功率,D類放大器也經(jīng)常采用橋式輸出。其原理圖如圖6所示。
圖6.橋式輸出的D類放大器
---為了給這種橋式連接的D類放大器供電,其輸入級可以采用如圖7的結(jié)構(gòu)。
圖7.橋式結(jié)構(gòu)的D類放大器的輸入級
---這種橋式D類放大器可以用增加晶體管數(shù)量的方法,而不是采用提高電源電壓的方法就可以提高輸出功率。所以在大功率D類放大器中經(jīng)常采用。
---有時候大功率的D類放大器的末級并不和驅(qū)動級集成在一起,而是采用離散的大功率晶體管。這樣一方面可以減少大功率器件和普通的CMOS驅(qū)動器件集成時在工藝上的復(fù)雜性;另一方面也可以增加在選擇末級大功率器件時的靈活性。但是必須考慮這些晶體管的一致性。
---末級晶體管的不一致可能會引起嚴(yán)重的問題,例如假如上下兩個晶體管不能同時一個導(dǎo)通一個截止,而是兩個同時處于導(dǎo)通狀態(tài)。那就很容易造成電源的短路。為了避免發(fā)生這種情況,通常采用導(dǎo)通的死區(qū)時間設(shè)定。也就是在導(dǎo)通脈沖來到時晶體管并不馬上導(dǎo)通,而是有一定的延時,然后才導(dǎo)通。這段延時時間,稱為死區(qū)。采用死區(qū)以后,雖然可以避免上下兩個管子同時導(dǎo)通,但是也會造成信號的失真。
三. D類放大器的效率
---和通常采用的AB類放大器相比,D類放大器有很高的效率。而且,D類放大器可以在很小的輸出功率時就可以達(dá)到很高的效率,或者說D類放大器的效率是和輸入信號的大小無關(guān),而不像在AB類放大器中只有在很高的輸出功率時才能達(dá)到比較高的效率。
---D類放大器之所以能夠獲得很高的效率,是因為它的輸出級完全工作于開關(guān)狀態(tài)。對于理想的開關(guān),它的效率可以達(dá)到100％。但是由于晶體管并不是一個理想的開關(guān),所以在截止時電阻并不是無限大,而在導(dǎo)通時其電阻也不等于0。由于其負(fù)載揚聲器的電阻很低,晶體管的漏電流又很小,所以在截止時晶體管的損耗可以忽略不計。因而只要考慮在晶體管導(dǎo)通時的損耗。
---這時D類放大器的效率實際上是由晶體管導(dǎo)通時的內(nèi)阻和負(fù)載電阻的比值有關(guān)。假定負(fù)載電阻為RL,
---而晶體管導(dǎo)通時的內(nèi)阻為Ron,那么D類放大器的效率就可以用下式表示：
---E＝RL/(2Ron + RL)
---如果負(fù)載電阻為4 歐姆,晶體管的導(dǎo)通電阻為0.1歐姆,那么D類放大器的效率為95％。如果晶體管的電阻變成0.3 歐姆,那么效率就降低為87％。所以晶體管的飽和電阻對于D類放大器的效率起著重要的作用。對于大功率的D類放大器就必須仔細(xì)設(shè)計或挑選末級功率晶體管。而晶體管的飽和電阻也和芯片的溫度有關(guān)。當(dāng)芯片的溫度從25度增加到125度時,它的飽和電阻就會增加一倍。在末級放大器中通常采用開關(guān)型N溝FET大功率晶體管。
---除了晶體管的導(dǎo)通電阻外,還有偏置電流、輸入電容充電、和切換電流都會消耗功率。所以D類放大器的效率還應(yīng)該把這些損耗都計算在內(nèi)。
---E＝Pout/(Pout +Pd1 + Pd2 + Pd3 + … )
---它的開關(guān)損耗由開關(guān)所需的能耗和開關(guān)頻率的乘積決定。
---另一個問題是輸出晶體管之間開關(guān)特性的匹配。例如,如果一個NMOS器件的開啟比其對應(yīng)PMOS的關(guān)閉快的多,兩種器件的“通”時期就可能在信號邊緣出現(xiàn)短時間的重疊。在兩種器件都導(dǎo)通的情況下,供電電源本質(zhì)上是短路的,導(dǎo)致功率效率降低,熱耗散增加,并且可能降低供電電壓,這將使音頻信號失真。
---不論如何,D類放大器的效率要比常用的AB類放大器的效率高很多,尤其是它可以在所有不同的輸出功率下都能保持很高的效率。圖8中給出了D類放大器和AB類放大器在不同的輸出功率時的效率。由圖中可以看出,D類放大器可以在2W到20W的輸出功率范圍內(nèi)都能保持85％以上的效率。而AB類放大器只能在輸出功率較大時,才能有比較高的效率。因為大多數(shù)情況下,放大器的輸出功率都是處在較低的情況,因此D類放大器的平均效率大約要比AB類放大器高2～3倍。也就是說,通常其電池的壽命可以延長2～3倍。
圖8。 D類放大器和AB類放大器在不同的輸出功率時的效率
---當(dāng)然,這個效率是在當(dāng)輸入為正弦波的情況下測出的,而在實際的音樂條件下,其效率就沒有那么高。在實際音樂輸入時,普通AB類放大器和D類放大器效率的比較如表1所示。
