【技术专辑】D类放大器的故障

什么是D类放大器?

 

D类放大器基本上是开关放大器或PWM放大器。与A类,AB类和B类放大器相比,D类放大器的输出级功耗要低得多,这些放大器的效率可以达到90%以上。这种差异为便携式音频解决方案带来了D类显着优势,因为较低的功耗可产生较少的热量,节省电路板空间并延长电池寿命。

 

D类放大器具有以下功能块:

 

输入滤波器

 

输入滤波器允许放大器将输入信号偏置到适当的直流电平,以实现最佳操作。输入滤波器是高通滤波器,可消除输入信号中的直流分量。输入滤波器会影响低频极点以及输出信号的增益和功率。 

 

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Rohitbd在英语维基百科上写的“ Pwm amp ”。通过Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。

 

积分器

 

积分器执行对输入电压和反馈电压求和的数学运算。积分放大器电路会影响低频极点和输出带宽。 

 

参考发生器

 

参考发生器电路是分压器电路,其产生两个参考电压以为h桥控制电路中的两个比较器运算放大器供电。它还产生共模电压,驱动积分电路。两个参考电压的值越接近,总谐波失真(THD)越好。 

 

上电复位

 

上电复位电路在初始上电期间为所有电路提供内部复位。它还监视IC的电源,当电压低于最小工作范围时,它会使输出静音并发出复位。上电复位电路负责在电平移位器上升到所需电压所需的时间内供电。

 

H桥

 

H桥由一对PMOS和一对NMOS组成。这四个晶体管的栅极由H桥控制器的四个输出驱动。全H桥电路通常从单电源(VDD)运行,接地用于负电源端子(VSS)。对于给定的VDD和VSS,电桥的差分特性意味着它可以提供两倍的输出信号和四倍于单端实现的输出功率。一次只能打开四组中的两组晶体管。这降低了功耗并有助于提高放大器的效率。 

 

在H桥中射穿电流

 

称为“直通”的问题会降低D类放大器的效率并导致潜在的操作故障。这种情况发生在转换过程中,当一个设备被切断而另一个设备被打开时。在转换期间,两个器件都接通很短的时间,并且大电流脉冲可以流过这两个器件。这可以通过使用两个比较器驱动具有非对称方波的MOSFET的栅极来消除,使得一个器件在另一个器件导通之前被切断。

 

H桥的功率损耗

 

基于MOSFET的桥的设计的一个重要方面是MOSFET的尺寸。最小功率损耗的最佳芯片尺寸取决于负载阻抗,所需输出功率和时钟频率。晶体管芯片尺寸越大,开关和栅极损耗越大。尺寸越大,传导损耗越小。MOSFET导通损耗与漏极 - 源极电阻RDS(on)有关。RDS(on)与温度有关,当结温(TJ)增加时,RDS会增加。在放大器工作期间,漏极电流决定传导损耗,如下面的等式所示:

 

P(传导)=(ID RMS)2 •RDS(on) 

 

放大器效率取决于MOSFET的总功率损耗。MOSFET中的功率损耗是导通,开关和栅极驱动电荷损耗的结果,如下式所示:

 

总功率损耗= P(开关)+ P(导通)

 

为了最小化开关损耗和失真,使用上电复位电路。如果电平转换器的电容器未正确充电,则上电复位变为高电平,反之亦然。

 

此外,MOSFET的功率损耗会影响MOSFET的结温TJ,因为大部分功率损耗会转换为热量。结温是一个重要的设计约束,因为它决定了所使用的散热器的尺寸。高功率损耗会增加TJ,因此增加散热器的尺寸。

 

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H桥控制

 

H桥控制器控制跨H桥施加的输入电压。H桥有两个比较器:D触发器和两个半桥开关电路,为MOSFET提供相反极性的脉冲。两个比较器由参考发生器的参考电压供电。它们产生方波输出,作为输入提供给D-Flip-Flop。D-Flip-Flops用作比较器输出的锁存器,以将其与馈入其中的单个时钟同步。缓冲器防止电平移位器放回H桥控制电路。

 

水平移位器

 

电平移位器驱动PMOS栅极电压。上电复位电路负责在电平移位器上升到所需电压所需的时间内提供电压。重要的是电平转换器的输入电容很小,以最小化PMOS的栅极电容。MOSFET栅极电容应小,以最大限度地降低驱动MOSFET的电平转换器的功耗和发热。 

 

反馈滤波器

 

反馈滤波器电路是比例反馈系统。使用反馈滤波器是因为高环路增益改善了由正向路径中的非线性引起的性能抑制失真,并通过增加电源抑制(PSR)来降低电源噪声。反馈电压与H桥中左右节点电压的差电压成比例。

 

时钟发生器

 

时钟发生器电路产生定时信号(称为时钟信号并且表现如此),用于同步电路的操作。该电路产生0V-5V的方波信号。该方波信号的频率用作输入信号的采样频率。采样频率越高,输出信号的失真越低。 

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计