基于Σ-Δ调制和DirectFET器件的D类功放设计

欧阳宏志

(南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳 421001)

便携式、可穿戴电子设备的发展促使电子产品越来越小型化和轻量化，D 类功放的出现适应了这些需求.与线性放大器相比，D 类功放的效率能轻松达到80%以上，但是它的失真较大，信噪比较低，所以在效率和失真之间的权衡是功放设计的难点[1].D 类功放需要调制器，将音频的模拟信号变成频率较高的脉冲信号，传统的D 类放大器一般采用PWM(Pulse Width Modulation)调制，信号和噪声交织在一起，造成功放输出失真较大，听感上呈现所谓的“数码声”.Σ-Δ 调制利用过采样和噪声整形技术，减小了信号基带内的 量化噪声，提高了输出信噪比[2].

研究采用Σ-Δ 调制技术，并精选先进的DirectFET 开关器件，以高保真度为目标，设计了一款D 类功放机，并对其关键指标进行了测试.

1 方案论证

1.1 Σ-Δ 调制

一般的D 类功放组成如图1 所示.模拟音频信号经过前置放大器，放大后进入调制器，常用PWM 调制器由三角波发生器和比较器组成，调制之后的脉冲信号经过驱动电路加强之后，送给 开关管进行功率放大，开关管输出幅度较大的脉冲信号，通过重建滤波器(即低通滤波器)滤除高频分量后，得到放大了的原始信号，这就是D 类功放的工作流程.

图1 D 类功放组成结构

调制器对于D 类功放的信噪比来说是很重要的一环，除了PWM 调制器，还有一类Σ-Δ 调制器，这种常用在ADC 和DAC 中的调制器，实际上就是压控振荡器.以一阶Σ-Δ 调制器为例，介绍其工作原理.如图2 所示，模型由加法器、积分器、一位量化器(采样)组成[3].如图3 所示，它把正弦波变成疏密相间的矩形波，正弦波变化越快的位置，矩形波的密度越大，输出变化率与输入变化率同步.假定在信号经过量化器时叠加量化噪声ε，则容易解得

式(1)前半部分对信号呈现低通性质，后半部分对噪声呈现高通性质，如图4 所示.如果滤波电路的截止频率合适，理论上可以把噪声全部滤除.这种噪声整形的做法大大提高了系统的信噪比，减小了信号的失真.

图2 一阶Σ-Δ 调制器系统模型

如果调制器阶数越高(积分器个数越多)，噪声整形效果就越好，工程上一般选择二阶以上的调制器.二阶Σ-Δ 调制器模型如图5 所示.通过将积分器级联，使得噪声传递函数具有40 dB/10倍频程的上升速率，这样信号与噪声的分界线就愈发明显.另外，将量化器取样频率设高，就越能把噪声推得越远，此时将已经被推往高频的量化噪声用低通滤波器滤除，则可以得到量化噪声较少的原信号[4].

图3 一阶Σ-Δ 调制器输入输出波形

图4 一阶Σ-Δ 调制器输出信号频谱

图5 二阶Σ-Δ 调制器系统模型

1.2 效率分析

效率是D 类功放优于其它类型功放的重要指标，它被定义为输出有功功率与电源提供的直流功率之比.系统功耗主要来自输出开关管导通阻抗、开关损耗和静态电流开销.为简单起见，采用半桥图腾柱的拓扑来计算功率级的效率，则效率η可以表示为

其中，Pall(on)为导通损耗；Pall-turn为开关损耗；PL为滤波电感的损耗；Po为输出功率.可见，D 类功放的效率与功率管的导通电阻、开关时间，及滤波电路的寄生电阻有关，减小这些参数就可以进一步提高效率.

1.3 开关器件

由于全桥变换较为复杂，并且效率较低，所以选择半桥拓扑作为功率放大模块.D 类放大器的性能很大程度上取决于MOSFET 及其驱动电路的特性.DirectFET 是国际整流器公司推出的一种新的封装技术，该技术改善了功率器件的散热问题，它使得MOS 管的关键参数Rds(on)和Qg等得到优化，使得失真和电磁干扰得到改善，其很低的Rg保证了死区时间能很好地被控制，所以非常适合作为D 类功放的开关器件[5].

2 电路设计

2.1 前置放大级

前置级放大主要是对微弱信号进行放大，又不能引入较多噪声，所以要选择低噪声器件.选择OPA2604 运算放大器作为核心器件，是因为OPA2604 是FET 输入的为高性能音频系统设计的专用运放，它具有超低谐波失真、低噪声和高增益带宽等特点，但电压增益不能太大，设置为11 倍.电路设计如图6 所示.

图6 前置放大级

2.2 Σ-Δ 调制级

用电子器件物理实现图5 中的模型，经过Multisim 软件多次仿真调试得到图7 所示的电路图.用运放的反相求和实现加法器，RC 电路实现积分器，D 触发器实现量化器功能，均选用高速器件.考虑到后续驱动电路的能力，时钟频率定为400 kHz，用有源晶振保证其频率稳定度[6].

图7 二阶Σ-Δ 调制级

2.3 驱动及功率放大级

采用集成栅极驱动器，通过轮流输出高低电平，来控制2 个开关管的轮流导通.由于是图腾柱结构，需要自举电路为下面的MOS 管提供直流偏置[7].如图8 所示，使用IR2010 作为驱动器，它是一款高功率、高电压、高速率的芯片，开关时间低至50 ns.MOS 管则使用DirectFET 器件：IRF6655，其Rds(on)=62 mΩ，Qg=8.7 nC.D2 和D3 这2 个加速二极管可以使管子输入电容放电速度更快，从而降低关断损耗.

图8 驱动及功率放大级

2.4 滤波级

MOS 管输出的信号除了音频分量，仍然包含大量的高次谐波，需要一个低通滤波器进行处理，一般采用二阶巴特沃斯无源滤波器，由LC 元件构成[8].由于滤波器的边缘并非理想，所以其截止频率至少高于22 kHz，假定负载为4 Ω，考虑到茹贝尔网络的影响，用Multisim 软件仿真得到了合适的LC 值，L=22 μH，C=1 μF，其电路及幅频响应曲线如图9 所示.当负载为4 Ω 时，22 kHz下降了1.5 dB，100 kHz 下降了18 dB；当负载为8 Ω 时，幅频响应曲线出现了过冲.电感磁芯采用R2KB1 材料，抗音频饱和性好，损耗也小.电容选用温度系数较好的独石电容.

图9 滤波级电路及其幅频响应

另外，该系统需要用到±50，±5 和+12 V 电压，并用定制的200 VA 开关电源供电，其电路设计包含左右2 个声道，电路板长宽高为100 mm×50 mm×35 mm，重量为0.25 kg，最后制作好的实物如图10 所示.

图10 实物图

3 测试结果及分析

3.1 调制器

输入端接入幅值为1.4 V，频率为10 kHz 的正弦波，调制器输出波形如图11 所示.可见输出为疏密相间的脉冲波，符合前面的仿真分析.

图11 调制器输出波形

3.2 输出波形

为测试整个系统的放大功能，输入端接入幅值为2 V，频率为1 kHz 的正弦波，负载为4 Ω的电阻器，得到如图12 所示的波形.

图12 输入1 kHz 正弦波时输出端波形

由图12 可知，输出波形幅值为29.2 V，输出功率达到106.6 W.接着把输入信号的频率提高至10 kHz，结果如图13 所示.

图13 输入10 kHz 正弦波时输出端波形

在图13 中，输出波形虽有少量毛刺，但在可接受的范围之内.

3.3 频率响应

让功放在满功率100 W 下连续工作，用扫频仪测试其频率响应，所得曲线如图14 所示.

图14 满功率时的幅频响应

由图14 可知，当负载为4 Ω 时，-3 dB 带宽为32 kHz；而当负载为8 Ω 时，-3 dB 带宽为50 kHz，中频区非常平坦.

3.4 总谐波失真

谐波失真(THD, Total Harmonic Distortion)是功放的重要指标.用失真度测量仪测量系统的THD，结果如图15 所示.

图15 总谐波失真随输出功率变化曲线

由图15 不难发现，随着输出功率增大，THD逐渐减小，虽在接近满功率时有略微的增大，但总体THD 都在1%以下，这得益于MOS 管优良的性能.

3.5 效率

效率是D 类功放的最大优势.用万用表和数字毫伏表测得功放的效率随输出功率的变化曲线如图16 所示.

图16 总效率随输出功率变化曲线

从图16 可知，总效率随着输出功率的增加呈现指数增长的趋势，这与式(2)推出的结论是一致的，且效率最高可达94%.

3.6 听感

听感是一个较为主观的指标.把它和一个甲乙类功放做比较，输出同样的功率，放同一首曲子，发现本文所设计的功放声音通透晶莹，声场很规整，解析力很高，但音色上相对偏硬一些.

4 结论

随着半导体技术的不断创新，使得功率放大器得具备更高的效率、更高的功率密度和更好的音频性能.本研究采用新颖的DirectFET 开关器件，结合Σ-Δ 调制技术，制作了一款实用的D 类功放.该D 类功放的失真度小于1%，效率最高可达94%，额定输出功率为100 W(负载为4 Ω)，可以用于家庭影音、工业测量和声音报警等场合，特别适合于智能音响等智能硬件产品.下一步将自行设计开关电源，进一步缩小体积，并实现全数字化处理.