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D类音频放大器节省电池寿命-Class D Audio Am

时间:2021-10-13 10:32来源:未知 作者:admin 点击:

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  Of the common output-stage topologies (Classes A, B, AB, and D), Class D amplifiers exhibit the highest efficiency. A linear output stage (Class A, B, or AB) draws considerable bias current while sourcing and sinking current into a speaker. A nonlinear (Class D) output stage improves efficiency and extends battery life by eliminating this bias current, but efficiency is gained at the cost of greater noise and distortion. In portable equipment that allows linearity to be traded for efficiency, therefore, a Class D amplifier is the best choice.The simplest and yet most effective approach (the Class A topology) consists of a bias transistor and a voltage-follower transistor. Because both transistors operate always in their active regions, such circuits produce lower distortion than does any other class of output stage, making them ideal for high-fidelity systems. Constant linearity is the Class-A topologys greatest asset and its Achilles heel as well. Efficiency suffers, because the high-side transistor draws appreciable current and the low-side transistor must be biased to handle peak currents at all times. At maximum signal levels, the maximum efficiency of a Class A stage is given by:

  This relationship assumes that the maximum output voltage is VCC, and that VCC = VEE (see Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, by Grey and Meyer). Such an amplifier doubles as a space heater in high power applications and as a gas guzzler in battery-operated equipment.

  Again, this equation assumes that the maximum output voltage is VCC and that VCC = VEE. Because this topology is not linear throughout its full dynamic range, it produces more distortion. Consider the circuit and graph in Figure 3, where the output stage consists of an NPN and a PNP transistor. As you sweep the input from VEE to VCC, the output passes through a dead zone of 1.4V in which both transistors are off. This dead zone causes crossover distortion. With a sine wave input applied to a Class B stage, the effect of crossover distortion is tantamount to the exclusion of every tenth word in this article.

  Figure 7. This DC equivalent loop shows the source of resistive losses in a Class D output stage.

  Assuming no resistance in the components and traces except in the load, the efficiency of the Class D output stage is:

  Because output power is directly related to IOUT and because the IOUT level is not a factor in the efficiency equation, the amplifier is theoretically 100% efficient over its entire dynamic range?a vast improvement over the conventional linear alternative.Unfortunately, ideal components do not exist and the Class D amplifier is not 100% efficient. Finite resistance in circuit elements is the most obvious contribution to power loss. A less obvious source of power dissipation is switching loss in the MOSFETs. As stated earlier, MOSFETs act like resistors when they operate in the linear region. Because they dont make instantaneous transitions from off to on, they spend a brief period during each cycle in the active region, where each draws extra current. The resulting power loss during one switching period (PSWITCH) is:

  where fOSC is the oscillator frequency, and tON and tOFF are the MOSFET rise and fall times. Switching at 1MHz consumes four times more power than at 250kHz. Considering resistive losses and switching losses, the efficiency for a Class D amplifier is therefore:

  Based on this equation, you can roughly estimate the efficiency of a Class D amplifier as the ratio of RL to the other resistances in the circuit. Assuming RL = 4Ω, fOSC = 250kHz, tON = tOFF = 25ns, RON = 250mΩ, RF = 25mΩ, and RP= 80mΩ, η equals 86.33%. (Not 100%, but considerably higher than that of a conventional linear amplifier.) Increasing RL to 8Ω boosts the efficiency to a surprising 92.66%. These percentages do not account for power consumed by the front-end circuitry, the comparator, or the oscillator and drive circuits. That power loss has been ignored, because it is low with respect to power in the output stage.

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