干貨分享：工程師教你如何設(shè)計(jì)D類放大器

　　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。本文只介紹基本概念。

　　所有的D類放大器調(diào)制技術(shù)都將音頻信號(hào)的相關(guān)信息編碼到一串脈沖內(nèi)。通常，脈沖寬度與音頻信號(hào)的幅度相聯(lián)系，脈沖頻譜包括有用的音頻信號(hào)脈沖和無用的(但無法避免)的高頻成分。在所有方案中，總的綜合高頻功率大致相同，因?yàn)樵跁r(shí)域內(nèi)波形的總功率是相同的，并且根據(jù)Parseval 定理，時(shí)域功率必須等于頻域功率。但是，能量分布變化很大：在有些方案中，低噪聲本底之上有高能量音調(diào)，而在其它方案中，能量經(jīng)過整形消除了高能量音調(diào)，但噪聲本底較高。

　　最常用的調(diào)制技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM)。從原理上講，PWM是將輸入音頻信號(hào)與以固定載波頻率工作的三角波或斜波進(jìn)行比較。這在載波頻率條件下產(chǎn)生一串脈沖。在每個(gè)載波周期內(nèi)，PWM脈沖的占空比正比于音頻信號(hào)的幅度。在圖7的例子中，音頻輸入和三角波都以0 V為中心，所以對(duì)于零輸入，輸出脈沖的占空比為50%。對(duì)于大的正輸入，占空比接近100%，對(duì)于大的負(fù)輸入，占空比接近0%。如果音頻幅度超過三角波的幅度，就會(huì)發(fā)生全調(diào)制，這時(shí)脈沖串停止開關(guān)，占空比在具體周期內(nèi)為0%或100%。

　　PWM之所以具有吸引力是因?yàn)樗趲装偾Ш誔WM載波頻率條件下(足夠低以限制輸出級(jí)開關(guān)損失)允許100 dB或更好的音頻帶SNR。許多PWM調(diào)制器在達(dá)到幾乎100%調(diào)制情況下也是穩(wěn)定的，從原理上允許高輸出功率，達(dá)到過載點(diǎn)。但是，PWM存在幾個(gè)問題：首先，PWM過程在許多實(shí)現(xiàn)中會(huì)增加固有的失真(參看深入閱讀資料4);其次，PWM載波頻率的諧振在調(diào)幅(AM)無線電波段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生EMI;最后，PWM脈寬在全調(diào)制附近非常小。這在大多數(shù)開關(guān)輸出級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)電路中會(huì)引起問題，因?yàn)樗鼈兊尿?qū)動(dòng)能力受到限制，不能以重新產(chǎn)生幾納秒(ns)短脈寬所需要的極快速度適當(dāng)開關(guān)。因此，在基于PWM的放大器中經(jīng)常達(dá)不到全調(diào)制，可達(dá)到的最大輸出功率要小于理論上的最大值，即只考慮電源電壓、晶體管導(dǎo)通電阻和揚(yáng)聲器阻抗的情況。

　　一種替代PWM的方案是脈沖密度調(diào)制(PDM)，它在給定時(shí)間窗口(脈沖寬度)的脈沖數(shù)正比于輸入音頻信號(hào)的平均值。其單個(gè)的脈寬不像PWM那樣是任意的，而是調(diào)制器時(shí)鐘周期的“量化”倍數(shù)。1 bit Σ-Δ調(diào)制是PDM的一種形式。

　　Σ-Δ調(diào)制中的大量高頻能量分布在很寬的頻率范圍內(nèi)，而不是像PWM那樣集中在載波頻率的倍頻處，因而Σ-Δ調(diào)制潛在的EMI優(yōu)勢(shì)要好于PWM。在 PDM采樣時(shí)鐘頻率的鏡像頻率處，能量依然存在;但在3 MHz～6 MHz典型時(shí)鐘頻率范圍，鏡像頻率落在在音頻頻帶之外，并且被LC低通濾波器強(qiáng)烈衰減。

　　Σ-Δ調(diào)制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是最小脈寬是一個(gè)采樣時(shí)鐘周期，即使是對(duì)于接近全調(diào)制的信號(hào)條件。這樣簡(jiǎn)化了柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)并且允許按照理論上的全功率安全工作。盡管如此，1 bitΣ-Δ調(diào)制在D類放大器中不經(jīng)常使用(參看深入閱讀資料4)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的1 bit調(diào)制器只能穩(wěn)定到50%調(diào)制。還需要至少64倍過采樣以達(dá)到足夠的音頻帶SNR，因此典型的輸出數(shù)據(jù)速率至少為1 MHz并且功率效率受到限制。

　　最近已經(jīng)開發(fā)出自振蕩放大器，例如在深入閱讀資料5中介紹的一種。這種放大器總是包括一個(gè)反饋環(huán)路，以環(huán)路特性決定調(diào)制器的開關(guān)頻率，代替外部提供的時(shí)鐘。高頻能量經(jīng)常要比PWM 分布平坦。由于反饋的作用可以獲得優(yōu)良的音質(zhì)，但該環(huán)路是自振蕩的，因此很難與任何其它開關(guān)電路同步，也很難連接到無須先將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的數(shù)字音頻源。

　　全橋電路(見圖3)可使用“三態(tài)”調(diào)制以減少差分EMI。在傳統(tǒng)的差分工作方式中，半橋A的輸出極性必須與半橋B的輸出極性相反。只存在兩種差分工作狀態(tài)：輸出A高，輸出B低;輸出A低，輸出B高。但是，還存在另外兩個(gè)共模狀態(tài)，即兩個(gè)半橋輸出的極性相同(都為高或都為低)。這兩個(gè)共模狀態(tài)之一可與差分狀態(tài)配合產(chǎn)生三態(tài)調(diào)制，LC濾波器的差分輸入可為正、零或負(fù)。零狀態(tài)可用于表示低功率水平，代替兩態(tài)方案中在正狀態(tài)和負(fù)狀態(tài)之間的開關(guān)。在零狀態(tài)期間，LC濾波器的差分動(dòng)作非常小，雖然實(shí)際上增加了共模EMI，但減少了差分EMI。差分優(yōu)勢(shì)只適用于低功率水平，因?yàn)檎隣顟B(tài)和負(fù)狀態(tài)仍必須用于對(duì)揚(yáng)聲器提供大功率。三態(tài)調(diào)制方案中變化的共模電壓電平對(duì)于閉環(huán)放大器是一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　圖7. PWM原理和例子

　　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)和返回路印制線應(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)晶體管柵極電容開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。通常這個(gè)電荷來自儲(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扼流線圈很有幫助。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)沿電源線長距離傳導(dǎo)。

　　如果柵極驅(qū)動(dòng)非重疊時(shí)間非常長，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)榉聪颉Ｔ诙O管完全斷開之前，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)，從而轉(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屏蔽減小來自低成本鼓形磁芯的輻射，如果注意可保證這種屏蔽可接受地降低電感器線性和揚(yáng)聲器音質(zhì)。

　　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)于常見的揚(yáng)聲器阻抗以及標(biāo)準(zhǔn)的L值和C值，下表給出了標(biāo)稱元器件值及其相應(yīng)的近似Butterworth響應(yīng)：

　　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，以及饒線電阻。

　　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。

　　通過在磁芯周圍饒線而形成電感器。如果饒線匝數(shù)很多，與總饒線長度相關(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)使用較粗的饒線或選用要求饒線匝數(shù)較少的其它金屬材質(zhì)的磁芯以提供需要的電感。

　　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?？拷糯笃?，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。