D類音頻放大器設(shè)計(jì)：概念、原理和方法(下)

摘要： 本文詳細(xì)闡述了D類音頻放大器技術(shù)及其設(shè)計(jì)要素，并介紹了ADI公司的D類放大器的產(chǎn)品特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： D類放大器；輸出級(jí)功率；輸出晶體管；EMI；LC濾波器

音質(zhì)

在D類放大器中，要獲得好的總體音質(zhì)必須解決幾個(gè)問(wèn)題。

“卡搭”聲：當(dāng)放大器導(dǎo)通或斷開(kāi)時(shí)發(fā)出的卡搭聲非常討厭。但不幸的是，它們易于引入到D類放大器中，除非當(dāng)放大器靜噪或非靜噪時(shí)特別注意調(diào)制器狀態(tài)、輸出級(jí)時(shí)序和LC濾波器狀態(tài)。

信噪比(SNR):為了避免放大器本底噪聲產(chǎn)生的嘶嘶聲，對(duì)于便攜式應(yīng)用的低功率放大器，SNR通常應(yīng)當(dāng)超過(guò)90 dB，對(duì)于中等功率設(shè)計(jì)SNR應(yīng)當(dāng)超過(guò)100 dB，對(duì)于大功率設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)超過(guò)110 dB。這對(duì)于各種放大器是可以達(dá)到的，但在放大器設(shè)計(jì)期間必須跟蹤具體的噪聲源以保證達(dá)到滿意的總體SNR。

失真機(jī)理: 失真機(jī)理包括調(diào)制技術(shù)或調(diào)制器實(shí)現(xiàn)中的非線性，以及為了解決沖擊電流問(wèn)題輸出級(jí)所采用的死區(qū)時(shí)間。

在D類調(diào)制器輸出脈寬中通常對(duì)包含音頻信號(hào)幅度的信息進(jìn)行編碼。用于防止輸出級(jí)沖擊電流附加的死區(qū)時(shí)間會(huì)引入非線性時(shí)序誤差，它在揚(yáng)聲器產(chǎn)生的失真與相對(duì)于理想脈沖寬度的時(shí)序誤差成正比。用于避免沖擊最短的死區(qū)時(shí)間對(duì)于將失真減至最小經(jīng)常是最有利的；欲了解優(yōu)化開(kāi)關(guān)輸出級(jí)失真性能的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法請(qǐng)參看深入閱讀資料2。

其它失真源包括：輸出脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間的不匹配，輸出晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)序特性的不匹配，以及LC低通濾波器元器件的非線性。

電源抑制 (PSR): 在圖2所示的電路中，電源噪聲幾乎直接耦合到輸出揚(yáng)聲器，具有很小的抑制作用。發(fā)生這種情況是因?yàn)檩敵黾?jí)晶體管通過(guò)一個(gè)非常低的電阻將電源連接到低通濾波器。濾波器抑制高頻噪聲，但所有音頻頻率都會(huì)通過(guò)，包括音頻噪聲。關(guān)于對(duì)單端和差分開(kāi)關(guān)輸出級(jí)電路電源噪聲影響的詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參看深入閱讀材料3。

如果不解決失真問(wèn)題和電源問(wèn)題，就很難達(dá)到PSR優(yōu)于10 dB，或總諧波失真(THD)優(yōu)于0.1%。甚至更壞的情況，THD趨向于有害音質(zhì)的高階失真。

幸運(yùn)的是，有一些好的解決方案來(lái)解決這些問(wèn)題。使用具有高環(huán)路增益的反饋(正如在許多線性放大器設(shè)計(jì)中所采用的)幫助很大。LC濾波器輸入的反饋會(huì)大大提高PSR并且衰減所有非LC濾波器失真源。LC濾波器非線性可通過(guò)在反饋環(huán)路中包括的揚(yáng)聲器進(jìn)行衰減。在精心設(shè)計(jì)的閉環(huán)D類放大器中，可以達(dá)到PSR > 60 dB和THD < 0.01%的高保真音質(zhì)。

但反饋使得放大器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因?yàn)楸仨殱M足環(huán)路的穩(wěn)定性(對(duì)于高階設(shè)計(jì)是一種很復(fù)雜的考慮)。連續(xù)時(shí)間模擬反饋對(duì)于捕獲有關(guān)脈沖時(shí)序誤差的重要信息也是必需的，因此控制環(huán)路必須包括模擬電路以處理反饋信號(hào)。在集成電路放大器實(shí)現(xiàn)中，這會(huì)增加管芯成本。

為了將IC成本減至最低，一些制造商喜歡不使用或使用最少的模擬電路部分。有些產(chǎn)品用一個(gè)數(shù)字開(kāi)環(huán)調(diào)制器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)檢測(cè)電源變化，并且用調(diào)整調(diào)制器進(jìn)行補(bǔ)償，這可以參看深入閱讀資料3。這樣可以改善PSR，但不會(huì)解決任何失真問(wèn)題。其它的數(shù)字調(diào)制器試圖對(duì)預(yù)期的輸出級(jí)時(shí)序誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，或?qū)Ψ抢硐氲恼{(diào)制器進(jìn)行校正。這樣至少會(huì)處理一部分失真源，但不是全部。對(duì)于音質(zhì)要求寬松的應(yīng)用，可通過(guò)這些開(kāi)環(huán)D類放大器進(jìn)行處理，但對(duì)于最佳音質(zhì)，有些形式的反饋似乎是必需的。

調(diào)制技術(shù)

D類放大器調(diào)制器可以有多種方法實(shí)現(xiàn)，擁有大量的相關(guān)研究和知識(shí)產(chǎn)權(quán)支持。限于篇幅，在此從略。

EMI處理

D類放大器輸出的高頻分量值得認(rèn)真考慮。如果不正確理解和處理，這些分量會(huì)產(chǎn)生大量EMI并且干擾其它設(shè)備的工作。

兩種EMI需要考慮：輻射到空間的信號(hào)和通過(guò)揚(yáng)聲器及電源線傳導(dǎo)的信號(hào)。D類放大器調(diào)制方案決定傳導(dǎo)EMI和輻射EMI分量的基線譜。但是，可以使用一些板級(jí)的設(shè)計(jì)方法減少D類放大器發(fā)射的EMI，而不管其基線譜如何。

一條有用的原則是將承載高頻電流的環(huán)路面積減至最小，因?yàn)榕cEMI相關(guān)的強(qiáng)度與環(huán)路面積及環(huán)路與其它電路的接近程度有關(guān)。例如，整個(gè)LC濾波器(包括揚(yáng)聲器接線)的布局應(yīng)盡可能地緊密，并且保持靠近放大器。電流驅(qū)動(dòng)和回路印制線應(yīng)當(dāng)集中在一起以將環(huán)路面積減至最小(揚(yáng)聲器使用雙絞線對(duì)接線很有幫助)。另一個(gè)要注意的地方是當(dāng)輸出級(jí)晶體管柵極電容開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。通常這個(gè)電荷來(lái)自儲(chǔ)能電容，從而形成一個(gè)包含兩個(gè)電容的電流環(huán)路。通過(guò)將環(huán)路面積減至最小可降低環(huán)路中瞬態(tài)的EMI影響，意味著儲(chǔ)能電容應(yīng)盡可能靠近晶體管對(duì)它充電。

有時(shí)，插入與放大器電源串聯(lián)的RF厄流線圈很有幫助。正確布置它們可將高頻瞬態(tài)電流限制在靠近放大器的本地環(huán)路內(nèi)，而不會(huì)沿電源線長(zhǎng)距離傳導(dǎo)。

如果柵極驅(qū)動(dòng)非重疊時(shí)間非常長(zhǎng)，揚(yáng)聲器或LC濾波器的感應(yīng)電流會(huì)正向偏置輸出級(jí)晶體管端的寄生二極管。當(dāng)非重疊時(shí)間結(jié)束時(shí)，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪?。在二極管完全斷開(kāi)之前，會(huì)出現(xiàn)大的反向恢復(fù)電流尖峰，從而產(chǎn)生麻煩的EMI源。通過(guò)保持非重疊時(shí)間非常短(還建議將音頻失真減至最小)使EMI減至最小。如果反向恢復(fù)方案仍不可接受，可使用肖特基(Schottky)二極管與該晶體管的寄生二極管并聯(lián)，以轉(zhuǎn)移電流并且防止寄生二極管一直導(dǎo)通。這很有幫助，因?yàn)镾chottky二極管的金屬半導(dǎo)體結(jié)本質(zhì)上不受反向恢復(fù)效應(yīng)的影響。

具有環(huán)形電感器磁芯的LC濾波器可將放大器電流導(dǎo)致的雜散現(xiàn)場(chǎng)輸電線影響減至最小。在成本和EMI性能之間的一種好的折衷方法是通過(guò)屏蔽減小來(lái)自低成本鼓形磁芯的輻射。

LC濾波器設(shè)計(jì)

為了節(jié)省成本和PCB面積，大多數(shù)D類放大器的LC濾波器采用二階低通設(shè)計(jì)。圖3示出一個(gè)差分式二階LC濾波器。揚(yáng)聲器用于減弱電路的固有諧振。盡管揚(yáng)聲器阻抗有時(shí)近似于簡(jiǎn)單的電阻，但實(shí)際阻抗比較復(fù)雜并且可能包括顯著的無(wú)功分量。要獲得最佳濾波器設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)總是爭(zhēng)取使用精確的揚(yáng)聲器模型。

常見(jiàn)的濾波器設(shè)計(jì)選擇目的是為了在所需要的最高音頻頻率條件下將濾波器響應(yīng)下降減至最小以獲得最低帶寬。如果對(duì)于高達(dá)20 kHz頻率，要求下降小于1 dB，則要求典型的濾波器具有40 kHz巴特沃斯(Butterworth)響應(yīng)(以達(dá)到最大平坦通帶)。對(duì)于常見(jiàn)的揚(yáng)聲器阻抗以及標(biāo)準(zhǔn)的L值和C值，表1給出了標(biāo)稱元器件值及其相應(yīng)的近似Butterworth響應(yīng)。

表1

如果設(shè)計(jì)不包括揚(yáng)聲器反饋，揚(yáng)聲器THD會(huì)對(duì)LC濾波器元器件的線性度敏感。

電感器設(shè)計(jì)考慮因素：設(shè)計(jì)或選擇電感器的重要因素包括磁芯的額定電流和形狀，以及繞線電阻。

額定電流：選用磁芯的額定電流應(yīng)當(dāng)大于期望的放大器的最高電流。原因是如果電流超過(guò)額定電流閾值并且電流密度太高，許多電感器磁芯會(huì)發(fā)生磁性飽和，導(dǎo)致電感急劇減小，這是我們所不期望的。

通過(guò)在磁芯周圍繞線而形成電感。如果繞線匝數(shù)很多，與總繞線長(zhǎng)度相關(guān)的電阻很重要。由于該電阻串聯(lián)于半橋和揚(yáng)聲器之間，因而會(huì)消耗一些輸出功率。如果電阻太高，應(yīng)當(dāng)使用較粗的繞線或選用要求繞線匝數(shù)較少的其它金屬材質(zhì)的磁芯，用以提供需要的電感。

最后，不要忘記所使用的電感器的形狀也會(huì)影響EMI，正如上面所提到的。

系統(tǒng)成本

在使用D類放大器的音頻系統(tǒng)中，有哪些重要因素影響其總體成本? 我們?cè)鯓硬拍軐⒊杀緶p至最低?

D類放大器的有源器件是開(kāi)關(guān)輸出級(jí)和調(diào)制器。構(gòu)成該電路的成本大致與模擬線性放大器相同。真正需要考慮的折衷是系統(tǒng)的其它元器件。

D類放大器的低功耗節(jié)省了散熱裝置的成本(以及PCB面積)，例如，散熱片或風(fēng)扇。D類集成電路放大器可采用比模擬線性放大器尺寸小和成本低的封裝。當(dāng)驅(qū)動(dòng)數(shù)字音頻源時(shí)，模擬線性放大器需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。對(duì)于處理模擬輸入的D類放大器也需如此轉(zhuǎn)換，但對(duì)于數(shù)字輸入的D類放大器有效地集成了DAC功能。

另一方面，D類放大器的主要成本缺點(diǎn)是LC濾波器。LC濾波器的元器件，尤其是電感器，占用PCB面積并且增加成本。在大功率放大器中，D類放大器的總體系統(tǒng)成本仍具有競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)樵谏嵫b置節(jié)省的大量成本可以抵消LC濾波器的成本。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。在極個(gè)別情況下，例如，用于蜂窩電話的低成本放大器，放大器IC的成本可能比LC濾波器的總成本還要低。即使是忽略成本方面的考慮，LC濾波器占用的PCB面積也是小型應(yīng)用中的一個(gè)問(wèn)題。

為了滿足這些考慮，有時(shí)會(huì)完全取消LC濾波器，以采用無(wú)濾波放大器設(shè)計(jì)。這樣可節(jié)省成本和PCB面積，雖然失去了低通濾波器的好處。如果沒(méi)有濾波器，EMI和高頻功耗的增加將會(huì)不可接受，除非揚(yáng)聲器采用電感式并且非常靠近放大器，電流環(huán)路面積最小，而且功率水平保持很低。盡管這種設(shè)計(jì)在便攜式應(yīng)用中經(jīng)常采用，例如，蜂窩電話，但不適合大功率系統(tǒng)，例如，家庭音響。

另一種方法是將每個(gè)音頻通道所需要的LC濾波器元器件數(shù)減至最少。這可以通過(guò)使用單端半橋輸出級(jí)實(shí)現(xiàn)，它需要的電感器和電容器數(shù)量是差分全橋電路的一半。但如果半橋輸出級(jí)需要雙極性電源，那么與產(chǎn)生負(fù)電源相關(guān)的成本可能就會(huì)過(guò)高，除非負(fù)電源已經(jīng)有一些其它目的，或放大器有足夠多的音頻通道，以分?jǐn)傌?fù)電源成本。另外，半橋也可從單電源供電，但這樣會(huì)降低輸出功率并且經(jīng)常需要使用一個(gè)大的隔直流電容器。

ADI公司D類放大器

剛才討論的所有設(shè)計(jì)問(wèn)題可以歸結(jié)到一個(gè)要求相當(dāng)嚴(yán)格的項(xiàng)目。為了節(jié)省設(shè)計(jì)工程師的時(shí)間，ADI公司提供各種D類放大器IC，它們含有可編程增益放大器、調(diào)制器和功率輸出級(jí)。為了簡(jiǎn)化評(píng)估，ADI公司為每種類型的放大器提供了演示板。這些演示板的PCB布線和材料清單可以作為切實(shí)可行的參考設(shè)計(jì)，從而幫助客戶迅速設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證、經(jīng)濟(jì)有效的音頻系統(tǒng)而無(wú)須為解決D類放大器主要設(shè)計(jì)問(wèn)題做“重復(fù)性的工作”。

例如，可以考慮使用AD19902，AD19923，AD19944和AD199655雙放大器IC系列產(chǎn)品，它們適合要求兩個(gè)通道每通道輸出達(dá)到5，10，25和40 W的中等功率的立體聲或單聲道應(yīng)用。

致謝ADI公司Art Kalb先生和Rajeev Morajkar先生對(duì)本文的有益建議。

深入閱讀資料
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