基于Σ-Δ調(diào)制和DirectFET器件的D類功放設(shè)計

歐陽宏志

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

便攜式、可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展促使電子產(chǎn)品越來越小型化和輕量化，D 類功放的出現(xiàn)適應(yīng)了這些需求.與線性放大器相比，D 類功放的效率能輕松達(dá)到80%以上，但是它的失真較大，信噪比較低，所以在效率和失真之間的權(quán)衡是功放設(shè)計的難點[1].D 類功放需要調(diào)制器，將音頻的模擬信號變成頻率較高的脈沖信號，傳統(tǒng)的D 類放大器一般采用PWM(Pulse Width Modulation)調(diào)制，信號和噪聲交織在一起，造成功放輸出失真較大，聽感上呈現(xiàn)所謂的“數(shù)碼聲”.Σ-Δ 調(diào)制利用過采樣和噪聲整形技術(shù)，減小了信號基帶內(nèi)的 量化噪聲，提高了輸出信噪比[2].

研究采用Σ-Δ 調(diào)制技術(shù)，并精選先進(jìn)的DirectFET 開關(guān)器件，以高保真度為目標(biāo)，設(shè)計了一款D 類功放機(jī)，并對其關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了測試.

1 方案論證

1.1 Σ-Δ 調(diào)制

一般的D 類功放組成如圖1 所示.模擬音頻信號經(jīng)過前置放大器，放大后進(jìn)入調(diào)制器，常用PWM 調(diào)制器由三角波發(fā)生器和比較器組成，調(diào)制之后的脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動電路加強(qiáng)之后，送給 開關(guān)管進(jìn)行功率放大，開關(guān)管輸出幅度較大的脈沖信號，通過重建濾波器(即低通濾波器)濾除高頻分量后，得到放大了的原始信號，這就是D 類功放的工作流程.

圖1 D 類功放組成結(jié)構(gòu)

調(diào)制器對于D 類功放的信噪比來說是很重要的一環(huán)，除了PWM 調(diào)制器，還有一類Σ-Δ 調(diào)制器，這種常用在ADC 和DAC 中的調(diào)制器，實際上就是壓控振蕩器.以一階Σ-Δ 調(diào)制器為例，介紹其工作原理.如圖2 所示，模型由加法器、積分器、一位量化器(采樣)組成[3].如圖3 所示，它把正弦波變成疏密相間的矩形波，正弦波變化越快的位置，矩形波的密度越大，輸出變化率與輸入變化率同步.假定在信號經(jīng)過量化器時疊加量化噪聲ε，則容易解得

式(1)前半部分對信號呈現(xiàn)低通性質(zhì)，后半部分對噪聲呈現(xiàn)高通性質(zhì)，如圖4 所示.如果濾波電路的截止頻率合適，理論上可以把噪聲全部濾除.這種噪聲整形的做法大大提高了系統(tǒng)的信噪比，減小了信號的失真.

圖2 一階Σ-Δ 調(diào)制器系統(tǒng)模型

如果調(diào)制器階數(shù)越高(積分器個數(shù)越多)，噪聲整形效果就越好，工程上一般選擇二階以上的調(diào)制器.二階Σ-Δ 調(diào)制器模型如圖5 所示.通過將積分器級聯(lián)，使得噪聲傳遞函數(shù)具有40 dB/10倍頻程的上升速率，這樣信號與噪聲的分界線就愈發(fā)明顯.另外，將量化器取樣頻率設(shè)高，就越能把噪聲推得越遠(yuǎn)，此時將已經(jīng)被推往高頻的量化噪聲用低通濾波器濾除，則可以得到量化噪聲較少的原信號[4].

圖3 一階Σ-Δ 調(diào)制器輸入輸出波形

圖4 一階Σ-Δ 調(diào)制器輸出信號頻譜

圖5 二階Σ-Δ 調(diào)制器系統(tǒng)模型

1.2 效率分析

效率是D 類功放優(yōu)于其它類型功放的重要指標(biāo)，它被定義為輸出有功功率與電源提供的直流功率之比.系統(tǒng)功耗主要來自輸出開關(guān)管導(dǎo)通阻抗、開關(guān)損耗和靜態(tài)電流開銷.為簡單起見，采用半橋圖騰柱的拓?fù)鋪碛嬎愎β始壍男剩瑒t效率η可以表示為

其中，Pall(on)為導(dǎo)通損耗；Pall-turn為開關(guān)損耗；PL為濾波電感的損耗；Po為輸出功率.可見，D 類功放的效率與功率管的導(dǎo)通電阻、開關(guān)時間，及濾波電路的寄生電阻有關(guān)，減小這些參數(shù)就可以進(jìn)一步提高效率.

1.3 開關(guān)器件

由于全橋變換較為復(fù)雜，并且效率較低，所以選擇半橋拓?fù)渥鳛楣β史糯竽K.D 類放大器的性能很大程度上取決于MOSFET 及其驅(qū)動電路的特性.DirectFET 是國際整流器公司推出的一種新的封裝技術(shù)，該技術(shù)改善了功率器件的散熱問題，它使得MOS 管的關(guān)鍵參數(shù)Rds(on)和Qg等得到優(yōu)化，使得失真和電磁干擾得到改善，其很低的Rg保證了死區(qū)時間能很好地被控制，所以非常適合作為D 類功放的開關(guān)器件[5].

2 電路設(shè)計

2.1 前置放大級

前置級放大主要是對微弱信號進(jìn)行放大，又不能引入較多噪聲，所以要選擇低噪聲器件.選擇OPA2604 運算放大器作為核心器件，是因為OPA2604 是FET 輸入的為高性能音頻系統(tǒng)設(shè)計的專用運放，它具有超低諧波失真、低噪聲和高增益帶寬等特點，但電壓增益不能太大，設(shè)置為11 倍.電路設(shè)計如圖6 所示.

圖6 前置放大級

2.2 Σ-Δ 調(diào)制級

用電子器件物理實現(xiàn)圖5 中的模型，經(jīng)過Multisim 軟件多次仿真調(diào)試得到圖7 所示的電路圖.用運放的反相求和實現(xiàn)加法器，RC 電路實現(xiàn)積分器，D 觸發(fā)器實現(xiàn)量化器功能，均選用高速器件.考慮到后續(xù)驅(qū)動電路的能力，時鐘頻率定為400 kHz，用有源晶振保證其頻率穩(wěn)定度[6].

圖7 二階Σ-Δ 調(diào)制級

2.3 驅(qū)動及功率放大級

采用集成柵極驅(qū)動器，通過輪流輸出高低電平，來控制2 個開關(guān)管的輪流導(dǎo)通.由于是圖騰柱結(jié)構(gòu)，需要自舉電路為下面的MOS 管提供直流偏置[7].如圖8 所示，使用IR2010 作為驅(qū)動器，它是一款高功率、高電壓、高速率的芯片，開關(guān)時間低至50 ns.MOS 管則使用DirectFET 器件：IRF6655，其Rds(on)=62 mΩ，Qg=8.7 nC.D2 和D3 這2 個加速二極管可以使管子輸入電容放電速度更快，從而降低關(guān)斷損耗.

圖8 驅(qū)動及功率放大級

2.4 濾波級

MOS 管輸出的信號除了音頻分量，仍然包含大量的高次諧波，需要一個低通濾波器進(jìn)行處理，一般采用二階巴特沃斯無源濾波器，由LC 元件構(gòu)成[8].由于濾波器的邊緣并非理想，所以其截止頻率至少高于22 kHz，假定負(fù)載為4 Ω，考慮到茹貝爾網(wǎng)絡(luò)的影響，用Multisim 軟件仿真得到了合適的LC 值，L=22 μH，C=1 μF，其電路及幅頻響應(yīng)曲線如圖9 所示.當(dāng)負(fù)載為4 Ω 時，22 kHz下降了1.5 dB，100 kHz 下降了18 dB；當(dāng)負(fù)載為8 Ω 時，幅頻響應(yīng)曲線出現(xiàn)了過沖.電感磁芯采用R2KB1 材料，抗音頻飽和性好，損耗也小.電容選用溫度系數(shù)較好的獨石電容.

圖9 濾波級電路及其幅頻響應(yīng)

另外，該系統(tǒng)需要用到±50，±5 和+12 V 電壓，并用定制的200 VA 開關(guān)電源供電，其電路設(shè)計包含左右2 個聲道，電路板長寬高為100 mm×50 mm×35 mm，重量為0.25 kg，最后制作好的實物如圖10 所示.

圖10 實物圖

3 測試結(jié)果及分析

3.1 調(diào)制器

輸入端接入幅值為1.4 V，頻率為10 kHz 的正弦波，調(diào)制器輸出波形如圖11 所示.可見輸出為疏密相間的脈沖波，符合前面的仿真分析.

圖11 調(diào)制器輸出波形

3.2 輸出波形

為測試整個系統(tǒng)的放大功能，輸入端接入幅值為2 V，頻率為1 kHz 的正弦波，負(fù)載為4 Ω的電阻器，得到如圖12 所示的波形.

圖12 輸入1 kHz 正弦波時輸出端波形

由圖12 可知，輸出波形幅值為29.2 V，輸出功率達(dá)到106.6 W.接著把輸入信號的頻率提高至10 kHz，結(jié)果如圖13 所示.

圖13 輸入10 kHz 正弦波時輸出端波形

在圖13 中，輸出波形雖有少量毛刺，但在可接受的范圍之內(nèi).

3.3 頻率響應(yīng)

讓功放在滿功率100 W 下連續(xù)工作，用掃頻儀測試其頻率響應(yīng)，所得曲線如圖14 所示.

圖14 滿功率時的幅頻響應(yīng)

由圖14 可知，當(dāng)負(fù)載為4 Ω 時，-3 dB 帶寬為32 kHz；而當(dāng)負(fù)載為8 Ω 時，-3 dB 帶寬為50 kHz，中頻區(qū)非常平坦.

3.4 總諧波失真

諧波失真(THD, Total Harmonic Distortion)是功放的重要指標(biāo).用失真度測量儀測量系統(tǒng)的THD，結(jié)果如圖15 所示.

圖15 總諧波失真隨輸出功率變化曲線

由圖15 不難發(fā)現(xiàn)，隨著輸出功率增大，THD逐漸減小，雖在接近滿功率時有略微的增大，但總體THD 都在1%以下，這得益于MOS 管優(yōu)良的性能.

3.5 效率

效率是D 類功放的最大優(yōu)勢.用萬用表和數(shù)字毫伏表測得功放的效率隨輸出功率的變化曲線如圖16 所示.

圖16 總效率隨輸出功率變化曲線

從圖16 可知，總效率隨著輸出功率的增加呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢，這與式(2)推出的結(jié)論是一致的，且效率最高可達(dá)94%.

3.6 聽感

聽感是一個較為主觀的指標(biāo).把它和一個甲乙類功放做比較，輸出同樣的功率，放同一首曲子，發(fā)現(xiàn)本文所設(shè)計的功放聲音通透晶瑩，聲場很規(guī)整，解析力很高，但音色上相對偏硬一些.

4 結(jié)論

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使得功率放大器得具備更高的效率、更高的功率密度和更好的音頻性能.本研究采用新穎的DirectFET 開關(guān)器件，結(jié)合Σ-Δ 調(diào)制技術(shù)，制作了一款實用的D 類功放.該D 類功放的失真度小于1%，效率最高可達(dá)94%，額定輸出功率為100 W(負(fù)載為4 Ω)，可以用于家庭影音、工業(yè)測量和聲音報警等場合，特別適合于智能音響等智能硬件產(chǎn)品.下一步將自行設(shè)計開關(guān)電源，進(jìn)一步縮小體積，并實現(xiàn)全數(shù)字化處理.