数字音频 (D 类 ) 功率放大器

1

数字音频 (D 类 )功率放大器龙鼎微电子 (上海 )公司

茅于海首席科学家

龙鼎微电子 (上海 )公司2

放大器的分类（一）Class-A ( 甲类 ) 放大器 : 效率约为 20%


放大器的分类（二）Class-B ( 乙类 ) 放大器 : 效率约为

50%


放大器的分类（三）Class-AB ( 甲乙类 ) 放大器 : 效率约为

50%


放大器的分类（四） Class-A ( 甲类 ) 放大器－失真最小，静点工作电流最大，效率最低 Class-B ( 乙类 ) 放大器－失真较大，静点工作电流最小，效率较高 Class-AB ( 甲乙类 ) 放大器－失真中等，静点工作电流中等，效率中等 Class-C ( 丙类 ) 放大器－失真极大，主要用在射频调谐放大器中 Class-D (D 类 ) 放大器－或丁类放大器，不是工作点的不同，而是工作原理完全不同的新型放大器，也有人称之为数字放大器


D类放大器的工作原理PWM（脉宽调制）的工作原理


D类放大器的构成

锯齿波发生器比较器＋－输入信号

功放低通滤波

脉宽调制信号


D类放大器的原理图（一）单端输出


D类放大器的原理图（二）加负反馈的 D 类放大器


D类放大器的原理图（三）桥式输出的 D 类放大器


D类放大器的性能极高的工作效率，在二十瓦以内不需要散热器最少的外部工作元件很小的总谐波失真（ THD ＋ N ）无外部滤波器时（利用喇叭线圈作为滤波器）会产生电磁波辐射干扰


D类放大器的效率 ( 一 )

末级晶体管工作于开关状态理想开关效率为 100 ％截止时的损耗可以忽略主要为导通时的电阻 Ron

效率＝ RL/(2Ron+RL)


D类放大器的效率（二）主要由末级导通电阻值 Ron 决定若负载电阻为 4 欧姆，导通电阻为 0.1 欧姆，则效率为 95 ％若导通电阻增大至 0.3 欧姆，负载电阻不变，则效率降低为 87％


D类放大器的效率（三）


D类放大器的效率（四）因为放大器大多数时间工作于低输出功率的状态，所以 D 类放大器的效率平均比 AB 类放大器的效率高 2.5 到 3 倍这种高效率的特点决定了 D 类放大器特别适合用于便携式设备（延长电池寿命，不需要散热器而减小体积）和特大功率设备（减小功耗）中


D类放大器的失真（一）主要考虑非线性失真或总谐波失真 THD ＋ N

其产生是由于：采样时的脉宽误差和量化误差驱动管的死区和延时功放管的导通时间和体二极管恢复输出滤波电感和电容的非线性


D类放大器的失真（二）

ColorSweep Trace Line Style Thick Data Axis Comment

1 1 Red Solid 1 Anlr.THD+N Ratio Left

0.01

100

0.02

0.05

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

20

50

%

600u 31m 2m 5m 10m 20m 50m 100m 200m 500m 1 2

W典型的 THD ＋ N 和输出功率的关系（ 8 欧姆， 1kHz,6V ）


D类放大器的滤波（一）末级晶体管输出的是脉宽调制的矩形波必须经过低通滤波才能滤出音频信号动圈式喇叭本身具有电感如果采用较高的矩形波频率就很容易滤除高频


D类放大器的滤波（二）过高的矩形波频率会导致效率降低，失真加大无滤波器方案会在放大器和喇叭之间的引线上引起较大的射频辐射干扰简单的滤波器就可以很好地解决射频干扰问题还可以提高效率


D类放大器的滤波（三）

开关频率＝ 1MHzL=10 uH, C=0.146uF

开关频率＝ 1MHzL=5 uH, C=0.146uF


D类放大器的芯片


D类放大器的应用－手机极其有限的电池寿命极其有限的空间要求不高的音质单声道但必须防止射频干扰


D类放大器的应用－MP3播放器电池寿命短音质要求高空间极其有限无射频部分要有立体声

LCDDisplay

CPU DSPUSB

BatteryCharger

Battery

DAC

NANDFlash

VoltageRegulators

Class-D

AudioAmp.

SDOrCF

User key

WhiteLED

Backlight


D类放大器的应用－便携式 DVD播放机有限电池寿命有限空间中等音质要求立体声无射频部分

MPEGDecoder

DVDDriver CVBSProgressive

TV Encoder S-Video

Frame Buffer ROM

Audio Processing

Class-D

AudioAmp.

BatteryCharger

Battery

VoltageRegulators


D类放大器的应用－便携式电视机模拟或数字式有限电池寿命有限空间音质要求中等要有立体声 ( 喇叭或耳机）有射频部分

To LCD Panel

Digital YUV Signal

Audio D/A

MPEGDecoder

RF TVTuner

QAM/DMB-T/QPSK

Scaler OSD LVDS Advanced Video processor

Frame Buffer ROMFrame Buffer

Class-D

AudioAmp.


D类放大器的应用－笔记本电脑有限的电池寿命有限的空间要求中等音质要求立体声无射频部分

CPU DRAML2 Cache256K

2.5V Host Bus 66-100MHz

PCI Bridge

3.3V PCI Bus 33MHz

LCX LCX LCX LCX

Graphics Card Bus IDE AudioClass-

DAudioAmp.

BatteryCharger

Battery

VoltageRegulators


D类放大器的应用－手提式对讲机有限空间有限电池寿命低音质要求单声道

Duplexer

LNA

PowerAmp

VCO PLL

VCO

IF Ampl.

Ampli-fier

FMDiscri-

minator

Pre-ampl.

Class-D

AudioAmp.

Modulator

Power Module/

Battery

Antenna


D类放大器的应用－汽车音响电源比较有限体积比较有限要求较高音质要求立体声

Class-D

AudioAmp.

LNA

VCO

IF AMDetector

LNA

VCO

IF FMDemod.

AMReceiver

FMReceiver

LaserPickup

CD Drive

Switch

DAC


D类放大器的应用－电视机要求单声道（ <21”) 要求立体声 (>21”) 要求较高音质无体积限制要求很小 EMI

高频头中放

视频解调

音频解调

CRT

D 类功放喇叭


D类放大器的应用－其它传统音响设备包括免提电话机、台式机有源音箱、功放、家庭影院无体积限制无电源限制无空间限制必须在性能和价格上和模拟功放竞争


各种应用一览表MP3播放机手机便携式

DVD便携式TV

笔记本PC

对讲机汽车音响台式机音箱音响功放电池寿命极其有限相当有限比较有限比较有限有限比较有限不太有限无限制无限制空间大小极其有限极其有限比较有限比较有限有限比较有限不太有限无限制无限制声道数立体声单声道立体声立体声立体声单声道立体声立体声多声道音质要求极高不高较高较高普通不高较高普通极高功率要求几百毫瓦 <1 瓦几瓦几瓦几瓦几瓦 10 －

20 瓦几瓦 20 瓦以上


龙鼎微电子 (上海 )公司的 D类放大器产品 PAM8101: 1.5W, 单声道 , 高效率 (85%), 低失真（ THD ＋ N ＝

0.05% ） PAM8201: 1.5W, 立体声 , 高效率 (85%), 低失真（ THD ＋ N ＝

0.05% ） PAM8102: 2.5W, 单声道 , 高效率 (85%), 低失真（ THD ＋ N ＝

0.05% ） PAM8202: 2.5W, 立体声 , 高效率 (85%), 低失真（ THD ＋ N ＝

0.05% ）小体积（ PAM8101只有 2mmx3mm) 极少的外部元件，只有两、三个电容，不需要电感极低的价格，可以和模拟 (AB 类 ) 功放竞争！


龙鼎微电子 (上海 )公司芯片的外部元件

单声道PAM8101 (1.5W)PAM8102 (2.5W)

立体声PAM8201 (1.5W)PAM8202 (2.5W)


龙鼎微电子 (上海 )公司的 Demo Board


D类放大器的市场前景 2003年增长 200 ％至 $84Million 2004将增长 68 ％ 2008将达 $823M

$0$100$200$300$400$500$600$700$800$900

Millions

2004 2005 2006 2007 2008The Semiconductor Reporter (Forward Concept): June 15, 2004


谢谢大家！龙鼎微电子 (上海 )公司

www.power-analog.com

Documents

数字音频 (D 类 ) 功率放大器