D類音頻功放IC常見問答

常見問題解答的第1部分提供了關(guān)于D類放大器的概論，并回答了如何進(jìn)行選擇放大器以及D類放大器濾波器的設(shè)計(jì)問題。

什么是D類放大器

D類放大器使用了脈沖寬度調(diào)制電路來保持其輸出晶體管工作在全開或全關(guān)狀態(tài)。換句話說，在任何時(shí)候，瞬時(shí)輸出電壓要么是一個(gè)供電電壓，要么是另一個(gè)，當(dāng)然這里忽略了在切換時(shí)的短暫過渡期。因此，輸出電流從設(shè)備中沒有明顯電壓下降而傳導(dǎo)出來。

歐姆定律指出，功率等于電壓乘以電流。D類放大器將這一等式中的電壓部分保持近似為零，因此盡可能的避免了輸出階段的消耗功率。D類放大器比其他技術(shù)有著更好的優(yōu)勢(shì)，該類放大器的典型效率最高可達(dá)95%，平均效率也在80%的水平。D類放大器可以切換的頻率高于音頻帶。大部分的D類放大器的切換頻率為300K赫茲到2M赫茲。

為什么要使用D類放大器

因?yàn)镈類放大器非常有效，充分利用了來自電池以及其他功率受限源的有限功率。此外，這種較高效率消除了很多放大器在低于10瓦輸出功率時(shí)的散熱要求。D類放大器并沒有對(duì)其他鄰近的元件以及其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成散熱影響，從而降低了環(huán)境的溫度。另外，D類放大器的熱效率使其可使用標(biāo)準(zhǔn)的IC封裝，無需特別考慮散熱問題。

何時(shí)使用D類放大器?

使用D類放大器并不適用于所有應(yīng)用的最重要原因是輸出的切換會(huì)造成電磁干擾。很多應(yīng)用場(chǎng)合中，這種電磁干擾是可以容忍的，因此可認(rèn)為這些設(shè)備滿足了電磁兼容的認(rèn)證，但設(shè)計(jì)師不選用D類放大器還有另外一些考慮。

D類放大器第二個(gè)要考慮的是他們的聲音質(zhì)量一般不如AB類放大器以及其他技術(shù)的好。盡管在紙面上比較這兩種拓?fù)淇赡軙?huì)導(dǎo)致這個(gè)結(jié)論，在一些終極的應(yīng)用中，這往往不再是一個(gè)問題，因?yàn)閾P(yáng)聲器的失真是系統(tǒng)失真的主要因素。

什么是半橋/單端D類放大器

半橋D類放大器每個(gè)通道都有一個(gè)輸出。在半橋模式下(單端輸出放大器同理)揚(yáng)聲器連接著雙供電系統(tǒng)中的單個(gè)輸出并接地。在單供電系統(tǒng)中，一個(gè)較大的電容用來阻止VCC/2直流電壓通過揚(yáng)聲器的負(fù)載而出現(xiàn)。這個(gè)電容一般是幾百微發(fā)或者更多，這取決于系統(tǒng)的低音要求和揚(yáng)聲器額阻抗。

什么是全橋/差分D類放大器

半橋放大器對(duì)于那些對(duì)稱的雙供電系統(tǒng)是非常好的。所需的直流阻止電容的成本及尺寸使得他們?cè)趩喂╇娤到y(tǒng)并不適用。

全橋D類放大器每個(gè)通道有兩個(gè)輸出。全橋放大器又被稱作橋接負(fù)載(BTL)放大器或差分放大器。在全橋模式下，揚(yáng)聲器連接著兩個(gè)輸出端。D類放大器的輸出偏置很低，因此無需隔直電容。

全橋放大器提供了尺寸最小的系統(tǒng)解決方案，也是D類放大器拓?fù)渲凶畛Ｒ姷摹?/p>

是D類放大器還是“數(shù)字”放大器

在很多情況下，D類放大器不是數(shù)字放大器。這主要有幾個(gè)理由。在一個(gè)基本的開環(huán)數(shù)字D類放大器中，放大器的功率供應(yīng)抑制幾乎為零。實(shí)際上，功率供應(yīng)的幅度是用來音量控制的。純數(shù)字放大器的另一個(gè)問題是在輸出延遲、傳輸時(shí)間以及過沖的不匹配。這些綜合起來就會(huì)產(chǎn)生輸出的非線性現(xiàn)象，從而產(chǎn)生諧波失真。

幸運(yùn)的是，模擬方法可以減輕上面的缺點(diǎn)。D類放大器的絕大多數(shù)使用了模擬域的全局反饋和糾錯(cuò)技術(shù)。這使得THD+N范圍為0.01%，超過08dB的PSRR是常見的。

一些D類放大器是真正意義上的數(shù)字放大器。專用的數(shù)字電路彌補(bǔ)了輸出限制的非線性。真正意義上的D類放大器實(shí)際上只占D類放大器芯片的一小部分。

半橋D類放大器相比于全橋放大器，有哪些優(yōu)勢(shì)?

半橋D類放大器使用更小的芯片，來得到同樣數(shù)量級(jí)的功率，從而使得相對(duì)于真?zhèn)€芯片的成本而言，每瓦的成本最低。半橋設(shè)備在單供電系統(tǒng)中需要一個(gè)隔直電容，因而會(huì)抵消整個(gè)成本上的優(yōu)勢(shì)，另外還使得整個(gè)解決方法的尺寸變大。

在有很多大LED背光供電的應(yīng)用中，如24V，使用半橋放大器會(huì)得到更好的性價(jià)比，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載為8Ω，每個(gè)輸出通道獲取8瓦-10瓦。

其他類型的放大器有哪些?

普遍采用的音頻放大器有：

* A類

* B類

* AB類

* D類

* G類

* H類

通過搜索網(wǎng)頁(yè)，讀者可以得到這些類型放大器的描述。一些芯片制造商已經(jīng)添加了“新型”類型來描述他們的D類的特殊類。有辨析能力的設(shè)計(jì)師將會(huì)看到這些器件的優(yōu)點(diǎn)，而不會(huì)被最新的營(yíng)銷描述所迷惑。

D類的耳機(jī)放大器怎么樣?

D類耳機(jī)放大器已經(jīng)應(yīng)有了很多年。它們的應(yīng)用主要是圍繞耳機(jī)本身的特點(diǎn)。D類放大器的較低的電磁干擾性能要求工程師控制導(dǎo)線的長(zhǎng)度、導(dǎo)線的類型以及揚(yáng)聲器的負(fù)載阻抗。當(dāng)用戶將任何一個(gè)耳機(jī)連接到標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)插孔上，所有這些控制都是徒勞的。實(shí)際上，耳機(jī)線本身是一個(gè)很好的天線，很多便攜式設(shè)備都用它作為調(diào)頻接收天線。

在一個(gè)自供電耳機(jī)中，這并沒有什么問題。很多藍(lán)牙耳機(jī)有全橋D類放大器來提供最佳的電池使用周期。在這樣的系統(tǒng)中，耳機(jī)線會(huì)很短，負(fù)載阻抗也是已知的。

D類放大器可以工作在鋰電池上嗎?

用于便攜式設(shè)備的D類放大器的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3V到4.2V，因此對(duì)于使用鋰電池或鋰聚合物電池十分理想。在這樣的供電范圍內(nèi)，可用的功率隨著電池電壓變化而變化。例如，當(dāng)負(fù)載為8Ω時(shí)，供電電壓為3V就意味著功率為500mW，而電壓變?yōu)?.2V時(shí)功率為1.1W。實(shí)際性能依賴于D類放大器。

如何在較大的供電范圍內(nèi)獲取穩(wěn)定的輸出功率?

D類放大器的高效率使其成為升壓供電系統(tǒng)的理想之選。一些負(fù)載為8Ω的應(yīng)用需要輸出功率為1W，而不考慮電池電壓情況。在這樣的系統(tǒng)中，使用D類放大器可以滿足這樣性能要求。

一些D類放大器有升壓轉(zhuǎn)換裝置，如LM48510。這就為放大器提供了一個(gè)開關(guān)模式的電源供應(yīng)，因此當(dāng)電壓超過5.5V時(shí)，D類放大器仍可以工作。這種方法的另一個(gè)好處是升壓可以用作LED閃光燈或照明。

什么是無濾波式D類放大器

無濾波式D類放大器具有自適應(yīng)輸出調(diào)制功能，因此塔可用于直接連接揚(yáng)聲器，中間無需濾波器。無濾波式D類放大器可用在那些耳機(jī)線小于10cm的應(yīng)用中。

如果是非無濾波式D類放大器，那么推薦使用一個(gè)濾波器。脈寬調(diào)制(PWM)波形會(huì)在揚(yáng)聲器的音圈中造成較高的I2R失真，進(jìn)而減小了電池的壽命，并可能會(huì)破壞揚(yáng)聲器。

為什么我的無濾波式D類放大器中還有濾波器?

很多無濾波式D類放大器，如LM4675，在其演示板上依然包含了一個(gè)濾波器。這個(gè)濾波器是為了允許用戶通過典型的示波器和音頻分析儀來測(cè)試那個(gè)其D類放大器的性能。PWM波形比聲音信號(hào)本身好強(qiáng)的多，因此可以驅(qū)動(dòng)這些測(cè)試儀器的輸入。該濾波器的出現(xiàn)允許使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。

我是否需要一個(gè)濾波器用在D類放大器上?

在連接線較短的應(yīng)用中，這個(gè)問題的回答是：不需要。一些D類放大器使用了擴(kuò)頻時(shí)鐘來減小RF能量出現(xiàn)在輸出上。邊緣速率受限的電路減小了實(shí)際的RF能量滲到輸出端。將擴(kuò)頻和邊緣速率受限結(jié)合起來，例如LM48310，就可以實(shí)現(xiàn)最佳的電磁兼容認(rèn)證，而無需輸出濾波器。

如何為D類放大器設(shè)計(jì)濾波器?

L = (0.225 * RL) / fC

C= 0.113 / (RL * fC)

用于D類放大器的低通濾波器可以使用同一公式和(或)同樣的軟件，如揚(yáng)聲器天橋。在絕大多數(shù)應(yīng)用中，二階巴特沃斯傳遞函數(shù)會(huì)提供最佳組合性能，包括敏感度及成本。對(duì)于單端放大器而言，該公式可表示為：

L = (0.225 * RL) / fC

C= 0.113 / (RL * fC)

其中RL為揚(yáng)聲器的阻抗，fC為理想的截止頻率，L和C分別為該濾波器的電感和電容。例如，當(dāng)負(fù)載阻抗為8Ω和理想截止頻率為30kHz時(shí)，電感值為60μH，電容值為0.47μF。

不幸的是，60μH是一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的值，因此我們需要增加該值成為標(biāo)準(zhǔn)的68μH。通過逆推電感方程，可得新的截止頻率為26.5kHz，因此我們會(huì)獲得新的電容值為0.53μF，這可以通過將0.47μF的電容和6800pF的電容并聯(lián)而近似得到。。

L1 = L2 = (0.113 * RL) / fC

CTOT = 0.225 / (RL * fC)

對(duì)于全橋D類放大器，上述公式可修改稱如下所示：

L1 = L2 = (0.113 * RL) / fC

CTOT = 0.225 / (RL * fC)

CTOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1)

其中L1和L2是兩個(gè)所需的電感，CTOT是總的負(fù)載電容。全橋D類放大器的負(fù)載電容通?？赏ㄟ^下列公式得到

CTOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1)

其中CS1和CS2分別是接地的并聯(lián)電容，CD1是微分電容。例如，對(duì)于負(fù)載阻抗為8Ω和理想截止頻率為30kHz時(shí)，電感為30μH，而電容為0.934μF。

不幸的是，30μH是非理想的值，因此需要修改該值成標(biāo)準(zhǔn)的33μH，從而需要逆推電感公式得到新的截止頻率為27.4kHz，進(jìn)而新的電容為1.03μF?？梢詫⒃O(shè)置CD1=0.47μF，CS1=0.047μF，CS2=0.047μF來得到所需的CTOT。

這種分離濾波器電容方法的最大好處在于，這樣可以得到很好的電磁兼容性能和良好的音頻性能。CD1值越大，越能提高音頻頻段的濾波性能;CS1和CS2越小，越能使能減小電磁兼容測(cè)試時(shí)的高頻干擾。