图1AB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4AB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
θ=360°
θ=180°
180°<θ<360°
0°<θ<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
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
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Pc100W级的三极管以30~50mA,Pc25W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
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1KHz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
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1~5Ω。
使用complementary电路放大器,输出阻抗很容易做到0.1Ω以下。
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
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10Hz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10KHz,输出波形非常漂亮,此放大器之特性至少从1KHz到50KHz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(PulseWidthModulation)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。
圖2D類放大器基本架構
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4.8mmx5.8mmx0.135mm(注四)
圖3MP7720元件圖
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)=
(
+
+
+
+…)
高次谐波经由低通滤波器滤除后,输出信号的最大值为
,因此负载所能得到的最大功率PLm为
PLm=
=
而电路的平均电流Iav=
=
,则电源输入功率Ps=Vcc*Iav=
由PLm与Ps比值知,D类放大效率达到100%。
三、脉波宽度调变器(PulseWidthModulation;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(switchingpowersupply)…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=
圖5PWM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电路分析
D类放大器的常见业者有ADI、CirrusLogic、MAXIM、Motorola、NS、Philips、Sanyo、ST、TI…等,图7电路所示为MonolithicPower公司所生产的MP7720应用电路,提供20W的输出功率(Vdd=24v),放大倍数由R4,R1决定,Av=-
C3负责调制频率的大小如表二所示,电路频率为720KHz,而R3,R2决定放大器工作点的偏压。
表二MP7720典型應用電路
五、结论
D类放大器由于具有高效率、省电及体积小的特点,随着掌上型、行动式、掌上型装置的发展,其音效部分大都以D类放大器为主流,因此在电子学的教学方面应多加强调,尤其PWM电路观念的介绍,对学习电子、信息及电机领域的同学帮助很大。
六、参考数据
注一:
ClassDAudioAmplifier,AnalogDialogue40-60,June(2006),
注二:
SolidStateRadioEngineering”,HerbertL.Krauss,1980竹一出版社
注三:
SergioSánchezMoreno(ColdAmp),June2005,
注四:
MP772020WClassDMonoSingleEndedAudioAmplifier,www.MonolithicP
注五:
PWMMotor/LightController,