基于数字D类音频功放的音频设备中MOS管的解决方案

基于数字D类音频功放的音频设备中MOS管的解决方案

数字D类音频功率放大器

消费者们越来越在意其购入的音频设备的便携性、智能程度和时尚性，不管是最近华为与GENTLE MONSTER联名推出的智能眼镜耳机，还是苹果公司新上市的头戴式耳机，都在佐证这一消费趋势。这些新一代的音频设备对功耗要求越来越高 ，而D类音频功率放大器 和其他几类放大器相比，是电源效率最高的 ，而且MOSFET的发展也促进了D类音频功率放大器的发展。数字D类音频功放相比于传统D类功放，更适应于数字化时代，但是失真较大，所以需要研究更有效的算法来提高数字D类音频放大器的性能。

2017年，Zhu Liang设计了一种基于FPGA的数字D类音频功率放大器，研究了数字D类功放调制算法，改善了数字D类功放调制谐波失真加大的缺陷，并提高了数字D类功放电源效率。

主要电路硬件设计工作原理图及元器件参数

【D类功放系统框图】

元器件主要参数

【pwm调制电路】

FPGA输出的数字PWM驱动型号可以靠添加两个移位电平来增强 。直流电源V15、电阻R13、MOSFET晶体管M13组成的移位电平和MOSFET晶体管M14、电阻R11、直流电源V14组成的移位电平可以放大PWM波，增强MOS管驱动能力。

这里MOS管选用的是BSS138，Vds=60V，ID=0.25A，具有输入电容小、关断延迟时间短等优点 。

可选用的MOS管型号：

①BSS138

②VB162K

③VBK162K

④VBK362K

【适用的VBsemi微碧半导体MOS管型号参数】

【MOS管驱动电路】

MOS管的驱动电路采用IR2181S驱动芯片，可以实现只用两颗芯片即可驱动全桥电路，同时，芯片也兼具电磁隔离和光耦隔离的优点。

【H桥功率输出电路，低通滤波电路】

系统中使用了4阶LC低通滤波器，它加速高频信号的衰减，提高D类功放器的功放效率，其中的电容采用无感电容，电感采用工形屏蔽电感，降低了电磁干扰（EMI）。

功率输出电路中的功率场效应管的耐压Vdss决定了音频功放的功率 ，导通电阻RDon决定了音频功放的效率 ，此处可以选用VBsemi微碧半导体 的NMOS管型号VBE1101N ，其VDS=100V，ID=85A ，拥有极低的导通电阻RDSon=7.5mΩ 。

可选用的mos管型号：

①VBE1101N

②VBE1102N

③VBE1105

④VBZM20N10

⑤VBM1102N

【可选用的VBsemi微碧MOS管产品参数】

实际应用中，应在各模块中加入去耦电容，以防止电源抖动；数字地和模拟地之间用0Ω的电阻相连，可以降低信号干扰。

微碧半导体MOS管封装及应用

微碧半导体企业主要产品的封装有：SOP-8 、TO-220（F）、TO-263、TO-247、TO-252、TO-251、SOT-23、SOT-223、SOT-89、QFN、AO3400、IRF540、IRF540N等系列封装产线。

【微碧部分MOS管产品封装】

广泛应用于3C数码、安防设备、测量仪器、广电教育、家用电器、军工/航天、可穿戴设备、汽车电子、网络通信、物联网IoT、新能源、医疗电子、照明电子、智能家居、电脑主板显卡、MID\UMPC 、GPS、蓝牙耳机、PDVD、车载DVD、汽车音箱、液晶显示器、移动电源、手机电池（锂电池保护板）、LED电源等产品。微碧半导体有限公司以饱满的激情，拼搏务实的干劲，不断创新进取，致力于为客户群体打造出一座高效、便捷、直通、优质的服务桥梁。

参考文献

[1]朱亮. 基于FPGA的D类音频功率放大器的设计[D].西安电子科技大学,2017.

[2]王宇星.3W无滤波D类音频功率放大器设计[J].固体电子学研究与进展,2015,35(06):591-596+607.

[3]高爱国,蒋宇中,李开锋.D类放大器的随机脉宽调制技术研究和分析[J].通信技术,2010,43(06):4-6.

[4]冯玮,李洪革,张有光.应用于D类放大器的新型混沌频率调制电路[J].北京航空航天大学学报,2009,35(05):559-562.

往期部分MOS管产品应用解决方案

MOS管在电机控制开关电源中的解决方案

MOS管在电动车窗开关上的应用

USB PD大功率快充移动电源中MOS管的应用方案

大功率LED驱动电源设计中MOS管应用

MOS管在医用控温毯控制系统驱动电路设计中的应用

功率放大电路如何设计，用MOS管做功放的优缺点分析

一、什么是功放

功率放大器简称功放，一般特指音响系统中一种最基本的设备，俗称“扩音机”，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。 还可以指其他进行功率放大的设备。

功放的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，推动音箱放声。一套良好的音响系统功放的作用功不可没。

功放，是各类音响器材中最大的一个家族，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。 由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。

二、MOS管做功放的优缺点分析

1、MOS管做功放的优点

①MOS 管功放具有鼓励功率小，输出功率大，输出漏极电流具有负温度系数，平安牢靠，且有工作频率高，偏置简单等优点。以运放的输出作为OCL 的输入，到达抑止零点漂移的效果。

②中音厚，没有三极管那么大的交越失真。

电流推进级通常由一至二级组成，为了降低输出阻抗、增加阻尼系数，常采用二级电流推进。为了防止电流推进级产生开关失真，较好的作法是、采用MOS管并增大本级的静态电流，这样本级不会产生开关失真，由于任何状况下电流推进级一直处于放大区，所以电流输出级也一直处于放大区，因而输出级同样不会产生开关失真和交越失真。

③MOS管的线性比晶体管好。

2、MOS管做功放的缺点

①低频的温和度比晶体管功放差，MOSFET开关场效应管容易被输出和输入过载损坏,MOSFET场效应晶体管既具有晶体管的根本优点。但运用不久发现这种功放的牢靠性不高（无法外电路维护），开关速度进步得不多和最大输出功率仅为150W/8Ω等。90年代初，MOSFET的制造技术有了很大打破，呈现了一种高速MOSFET大功率开关场效应晶体管。

西班牙艺格公司（ECLER）经多年研讨，攻克了非毁坏性维护系统的SPM专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两者优点分离的第3代功放产品，在欧洲市场上取得了认可，并逐渐在世界上得到了应用。第3代MOSFET功放的中频和高频音质接近电子管功放，但低频的温和度比晶体管功放差一些，此外MOSFET开关场效应管容易被输出和输入过载损坏。

②开启电压太高。

③偏流开很大，还是有一定的交越失真,没交越失真，差不多能够赶上三极管的甲类输出功耗。

④MOS管不好配对在同一批次管，相对来说要好配对一点。

⑤MOS管的低频下太硬,用MOS功放听出所谓电子管音色有一个简单方法，把普通三极管功放里的电压推进三极管换成JFET，JFET才真正具有电子管音色。

三、功率放大电路的设计

功率放大电路往往要求其驱动负载的能力较强，从能量控制和转换的角度来看，功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根本的区别，只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。

本电路采用两个MOS管构成的功率放大电路，其电路如下图所示。

此电路分别采用一个N沟道和一个P沟道场效应管对接而成，其中RP2和RP3为偏置电阻，用来调节电路的静态工作点。特征频率fT放大电路上限频率fH的关系为：fT≈fhβh，系统阶跃相应的上升时间tr与放大电路上限频率的关系为：trfh=0.35。

对于OCL放大器来说，一般有：PTM≈0.2POM，其中PIM为单管的最大管耗，POM为最大不失真输出管耗。根据计算，并考虑到项目要求，本设计选用IRF950和IRF50来实现功率放大。

来源：网络整理

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