A、B、AB、D类音频功率放大器

D 类音频功率放大器 Class D Audio Power Amplifier 近二十年来电子学课本上所讨论的放大器偏压 Bias 分类不外乎 A 类 B 类 C 类等放大电路 而讨论音频功率放大器仅强调 A 类 B 类 AB 类而却 把 D 类放大器给忘掉了 事实上 D 类放大器早在 1958 年已被提出 注一 甚至 还有 E 类 F 类 G 类 H 类及 S 类等 注二 只是这些类型的电路与 D 类很接 近 运用机会低 所以也就很少被提及 音频功率放大器最大目的在提供喇叭得到最大功率输出 而卫衍生与电源 所供给功率不对等的关系 即所谓功率放大器的效率 输出功率与输入功率之比 如 表一所示 偏压分类A 类AB 类B 类D 类 理想效率25 介于 A 与 B 类之间78 5 100 随着轻 薄 短 小手持电子装置的发展 诸如手机 MP3 PDA IPOD 及 LCD TV 数位家庭等 寻求一个省电的高效率音频功率放大器是必然的 因此最近几年音频功率放大器由 AB 类功率放大器转以 D 类功率放大器为主流 如图 1 所示 注三 在实际应用上 D 类放大效率可达 90 以上远超过效率 50 的 AB 类放大 所以 D 类放大的晶体管散热可大大的缩小 很适合应用于小型 化的电子产品 表一 各類功率放大器的效率比 較 圖圖 1 D 類類 及及 AB 類效率比類效率比 較較 A 类放大器 又称甲类放大器 的特点是不论是否输入信号 其输出电路恒有电流流 通 而且这种放大器通常是在特性曲线的线性范围内操作 如图 2 所示 以求放大后 的信号不失真 所以它的优点 是失真度小 信号越小传真度越高 最大的缺点是 功率效益 Power Efficiency 低 最大只有 25 不输入信号时丝毫不降低消耗 功率 极不适合做功率放大 但因其高传真度 部分高级音响器材仍采用 A 类放大器 图 1 图 2 a b 皆属 A 类放大器 设计时让 VCE 1 2VCC 以求最大不失真范围 注意到 Vi 不输入时仍有 0 5VCC RL的电流流过晶体管 所以晶体管需要良好的散热环境 由于 共集极 组态 图 2 a Common Collector 组态又称 射极跟随器 转移特性曲线 较 共射极 组态 图 2 b Common Emitter 组态 有较佳的线性度 亦即失真较低 及较低的输出组抗 因此 同属于 A 类放大器 射级随耦器却较常被当成输出级使用 共射级 组态较常被当成 驱动级 使用 a b 图 2 A 类放大器 图 3 变压器耦合 A 类放大器 图 4 变压器耦合 A 类放大器的直流负载特性 B 类功率放大器 乙类功率放大器 是工作点在特性线极端处的一种放大器 如图 1 所示 当没有信号输入时 输出端几乎不消耗功率 所以 若将 上图的左图 VBB拿掉 则根据定义 这种零偏压的电路就是一种 B 类放大器 然而 由于它的静态点在 VCC 0 处 因此 对于一个正弦波输入信号 它的输出端波形只剩半个周期是可 以预期的 图 1 B 类功率放大器电路图 解决上述问题的方法 是将另一半周期的信号以一 PNP 型 BJT 与原射级跟随器相接 形成所谓的 互补式射级跟随器 Complementary Emitter Follower 又称为 B 类推挽式放大器 Class B Push Pull Amplifier 如图 1 所示 其动作原理 在 Vi的正半周其间 Q1 导通且 Q2 截止 所以 形成图 2 的输出端正半周正弦波 同理 当 Vi为负半周时 Q1 截止而 Q2 导通 结果形成输出端负半周正弦波 如图 2 虚线部分所示 图 2 B 类功率放大器特性图 由于 B 类推挽式放大器在无输入信号时不消耗功率 因此它较 A 类放大器有更高 的最大功率效益 可达 78 然而 由于推挽式放大器的信号振幅范围有一段是在 特性线的非线性区域上 因此导致严重的失真 如 2 所示 这种失真我们称它做 交 越失真 Cross Over Distortion 为了改善这种情形 所以有了 AB 类放大器 见下篇 图 3 B 类双端推挽放大器 图 4 交流信号输入示意图 图 5 集极电流的变化情形 ABAB 类功率放大器 又称类功率放大器 又称 甲乙类功率放大器 甲乙类功率放大器 ClassClass ABAB AmplifierAmplifier 前面提到的 B 类推挽式放大器的交越失真 是由于信号大小在 0 6V Vi 0 6V 之间 时 Q1 Q2 皆无法导通所引起的 因此 如果我们在Q1及Q2的VBE之间加上两个 0 6V 的电池 使输入信号在 0 6V 之间大小时 Q1 Q2也可以导通 彷佛一个 A 类放 大器有加上VBB偏压一般 以降低失真 这种情形 就是 AB 类放大器 如图 1 所示 图 1 AB 类放大器 AB 类放大器所产生的失真虽然比 B 类放大器小 但这项改进所付出的代价是待命 功率的浪费及功率效率的损失 G 类放大器一般用于高频电路 这里不再敷述 图 2 a B 类放大器的交越失真 图 2 b AB 类放大器消除交 越失真的情形 图 3 变压器耦合 AB 类推挽放大器 图 4 AB 类放大器对于交叉失真的改善情形 各种类型放大器优缺点比较 A 类放大器B 类放大器AB 类放大器C 类放大器 工作点位置负载线中点负载线截止点 负载线中点与截止 点之间 负载线截止点以下的 区域 导通角度 360 180 180 360 0 180 失真度失真最小 失真度略高于 AB 类 有交叉失真 可消除交叉失真 失真度最大 有截波 失真 功率转移效率 效率最低 在 50 以下 效率约为 50 至 78 5 效率略低于 B 类 效率最高 在 85 以上 主要用途 失真度低的小功率 放大器 大功率放大器一般的音响扩大机射频电路与倍频器 三极管 Hi Fi 放大器的功率级大部分使用 B 类 SEPP OTL 功率放大电路 因为 B 类放大电路功率较高 最高达 78 5 除非是发烧级的音响 为求完美的不失 真才会用 A 类 就三极管的散热以及电源电路的容量 B 类都比 A 类好很多 PP 电路中虽然有输出电路产生的偶次高谐波可互相抵销的优点 但实际上 主 放大器推动 PP 电路中的 A 类驱动级就会产生二次高谐波 因此高谐波还是很多 不过 B 类 PP 电路为减少交叉失真 须特别注意偏压的稳定 以下介绍几个代 表性的 B 类 SEPP OTL 电路 图 a 半对称互补 OTL 放大电路 图 b 全对称互补 OTL 放大电路 图一 输入变压器式功放电路 输入变压器式输入变压器式 SEPP 电路如图一 利用输入变压器进行相位反转作用 线路简单而中心电压又稳定 如果使用两电源方式 可简单剪掉输出电容器 又 输出短路时 不容易流出大电流 对过载引起的破坏 有很大的防止作用 不过因为输入变压器的影响 不能有较深的负反馈 所以不能获得较低的失真 在高频特性及失真会显著恶化是主要缺点 CE 分割方式分割方式 图二 CE 分割方式 如图二所示 利用三极管 Q1 集电极与发射极之相位相反进行反向的 方式 与真空管的 PK 分割相同 因为可以由 NPN 型三极管构成 所以很容易找 到特性整齐的三极管 但是 因为有电路比较复杂 需用的交连电容多 低频 特性不好 所以一直不能成为主流的电路 互补方式互补方式 图三 互补方式 如图三所示 利用 NPN 与 PNP 型三极管之组合作为相位相反兼驱动的电路 三极管放大器几乎都使用这种方式 因为 电路直接交连 相位偏差少 且可以有较大的负反馈 所以容易作成超低失真度的放大器 可以获得 Intermodulation 少 输出组抗低等优点 然而 过载时有非常大的电流经过输出三极管 因此必须有适当的保护电路 从防止被破坏来讲 这点很 不利 此外 输出三极管之偏压须经过稳定化 对于电源电压之变动及温度变化须做适当补偿 输出三极管虽然亦有采用 NPN 和 PNP 型组合的纯互补电路 但是大输出的 PNP 硅晶体现在很贵 不容易买到 所以较少采用 利用硅 NPN 及锗 PNP 三极 管组合的纯互补电路 上下对称特性虽然较差 但因为线路单纯 所以最常被使用 现在就图三的电路图作说明 图三是互补式放大器第二级后的电路 Q1 为 A 类驱动级 利用 VR1 偏压调整 改变 Q1 的集电极电流 将中心电压 调整到 Vcc 的 1 2 因为利用 R2 从 Q1 的集电极 约与中间电压同电位 进行 DC 负反馈加以稳定化 因此只要电路常数选择 的当 中间电压几乎没有调整的必要 二极管与 VR2 用来改变 Q2 与 Q3 的基极偏压 进而调整 Q4 及 Q5 的无信号电流 无信号电流在 Pc 100W 级的三极管以 30 50mA Pc 25W 级的三极管以 20 30Am 最恰当 Q3 Q4 负责信号的上半部 Q2 Q5 负责信号的下半部 分别交替进行动作 因此 无信号电流如果太少 即出现跨越失真 上下信号之接和部分变形 无信号电流如过多 则损失增多 产生热的问题 因此须利用温度补偿使其保持一定大小 温度补偿的方法等一下会提到 直接交连双电源无电容式方式直接交连双电源无电容式方式 图四 交连双电源无电容式方式 从图四可知 将互补式电路的初级改成差动放大 使电源电压即使有变动 中间 电压亦能保持零电位的电路 就是直接交连二晶体无电容方式 因为没有输出电容 所以 低频部分阻尼特性非常好 即使 1 KHz 附近的波形 亦可完整而极少失真的再现 但是 加上电源时 中间电压的稳定度会有问题 Q1 Q2 的差动放大级与 Q3 的 A 类驱动级 电 路常数应适当选择 使加上电源时 尽可能由低电压开始动作 负反馈与阻尼因数负反馈与阻尼因数 放大器的阻尼因数以 DF RL Zout 表示 因此 输出阻抗越低的放大器 DF 越好 不加负反 馈的互补电路 输出阻抗为 1 5 使用 complementary 电路放大器 输出阻抗很容易做 到 0 1 以下 冲击噪声防止电路冲击噪声防止电路 OTL 电路当电源加入时 输出电容瞬间被充电 因此一下子会有很大的冲击 防止这个冲 击的方法 就是使中间电压慢慢上升 图四即为此种电路的例子 温度补偿方式温度补偿方式 使用三极管的功率放大器为防止热失控 须进行温度补偿 顺便补充一下前面说过的互补 式电路的温度补偿 三极管温度一上升 电流亦增加 此增加部分可用二极管 热电阻或三极管等进行补偿 因为补偿可以减少跨越失真 因此 可以达到稳定无信号电流的作用 对于电源电压的变 动亦有稳定化的必要 图六为利用热敏电阻及三极管作补偿之例 具有非常优秀的特性 图六 温度补偿方式 频率特性以及功率频带宽度频率特性以及功率频带宽度 频率特性为判断放大器好坏一个很重要的因素 通常以输入方波的方式看输出的波型来看 频率特性 图九是一特性平坦的放大器 波型右侧微微成直线下斜是因为 10 Hz 附近频率 特性下降的缘故 图十之波形上升部分略成圆钝 表示中频的 100 500Hz 部分特性略有起 伏变化 图 11 之方波频率为 10 KHz 输出波形非常漂亮 此放大器之特性至少从 1KHz 到 50 KHz 附近均完全平坦 图 12 因为 30Khz 附近之频率特性下降 所以上升部份成圆钝状 因为这些方波特性可以直接表现出频率特性的好坏 所以非常重要 如果输出波形有 Ringing 现象 表示高频特性有 peak 存在 假设输出 50W 的放大器从 10Hz 30KHz 间频率特性衰减在 3dB 内 则输出功率在 25W 以上范 围可从 10Hz 30KHz 此即放大器的功率频带宽度 功率频带宽度对放大器的超低音及超高 音部分很重要 低频部分特性由电源电容及输出电容决定 高级放大器使用大容量的电容 就是这个原因 图八 图九 图十 一 D 类放大器的架构 D 类放大器又可称数字式功率放大 基本架构如图 2 所示 输入讯号经由 脉波宽度调变器 Pulse Width Modulation 将音频信号调制成数字信号后 由功率晶体管 Q1 Q2 放大输出 再经由低通滤波器 Lf Cf 取出原输入端的 音频讯号送至喇叭输出 由于功率晶体管输入为一数字信号 Q1 Q2 工作处于饱和与截止两个状 态 因此 Q1 Q2 本身所消耗功率将非常小 提高整个放大器的效率 而使散热 装置大幅减小进而在组件的设计上可以大大缩小其体积 如图 3 所示 MP7720 具有 20W 输出的 D 类放大器的尺寸为4 8mm x 5 8mm x 0 135mm 注四 二 D 类放大器的功率分析 功率放大器的输出属开关状态 即输出为一方波波形 由傅利叶级数分 析知 Vo t Vcc4 t sin 3 1 t 3sin 5 1 t 5sin 7 1 t 7sin 高次谐波经由低通滤波器滤除后 输出信号的最大值为 因此负载 Vcc4 所能得到的最大功率 PLm为 圖 3 MP7720 元件圖 圖 2 D 類放大器基本架構 PLm L m R V 2 L R c 2 2 c8V 而电路的平均电流 Iav 则电源输入功率 Ps Vcc Iav m V2 L R c 2 c8V L R c 2 2 c8V 由 PLm与 Ps比值知 D 类放大效率达到 100 三 脉波宽度调变器 Pulse Width Modulation PWM PWM 属于数字元通讯中调变模式的一种方式 也经常被应用在直流马 达的伺服控制 交换式电源供给器 switching power supply 等 其间的差异在于所使用振荡器频率的不同 基本架构如图 4 所示 就是利 用一三角波经由比较 器与输入信号作比较 而产生一方波输出 而方波的输出频率与 输入三角波频率相同 仅方波的工作周期随 着输入信号 正弦波 振幅大小而改变如图 5 所示 图 6 所示为一简易型 PWM 产生电路 注五 由枢密特电路及积分电路所组成 振荡器频率由 R C 及 R1 R2所决定 fo 1 2 4RCR R 圖 4 PWM 基本架構 圖 5 PWM 輸出波形 D 类放大器主要提供 20 20Khz 音频放大 因此 PWM 调制频率必须 使用大于 10 倍以上的频率 频率愈高还原后的信号将愈细腻 清晰 例 如 MP7720 如表二所示均使用在 600Khz 以上 四 MP7720 电路分