講科學不講玄學，使用D類放大器打造高保真音頻系統(tǒng)

“水電柔、火電暖、核電硬……” 在不少發(fā)燒友的觀念里，打造HiFi音頻系統(tǒng)仿佛是一門玄學。但實際上，音樂從文件打開到喇叭播放的整個流程，不僅不是玄學，反而是一門精密嚴謹?shù)目茖W。

音頻的播放可以大致概括為以下三步：輸入-放大-播放。不難看出，音頻信號的放大在整個流程中發(fā)揮著重要的作用，這一步通常交由音頻放大器完成。音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率范圍約為20 Hz～20 kHz，音頻放大器應具有良好的頻率響應性能，以便忠實地再現(xiàn)聲音和音樂。為了在成本可控的情況下實現(xiàn)低失真、低噪聲以及較好音質的輸出，工程師需要全方位設計調教音頻放大器電路。

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音頻放大器選擇題？最后答案都選“D”

按照類型的不同，音頻放大器可以分為：A類、AB類、B類和D類。在采用CMOS管的放大器拓撲結構中，A類使用一只晶體管作為直流電流源，能夠提供揚聲器需要的最大音頻電流。A類放大器輸出級可以提供優(yōu)良的音質，但功耗非常大，因為通常有很大的DC偏置電流流過輸出級晶體管；B類放大器其輸出晶體管是以推拉方式獨立控制，從而允許高端晶體管為揚聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負電流。由于只有信號電流流過晶體管，因而減少了輸出級功耗。但是由于交越失真的緣故，B類放大器電路的音質較差；AB類放大器是A類放大器和B類放大器的組合折衷，它也使用DC偏置電流，但它遠小于單純的A類放大器。小的DC偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質。

但不管是以上哪種方案，都存在功耗大、效率低的問題，即使是B類音頻放大器的效率也僅在28%左右，這意味著1 W的平均PLOAD需要2.53 W的B類放大器驅動，這對散熱、尺寸、封裝等因素都會產生不利的影響。面對寬的輸出功率范圍，理論效率可達100%的D類放大器極具低功耗優(yōu)勢，即使實際效率只達到80%，D類放大器輸出級耗費的電源電流也僅是B類放大器的1/2.8，是A類放大器的1/23.6。

A類、B類放大器和D類放大器輸出級的功耗比較

高效轉換的背后，是因為D類放大器由于具有不同的拓撲結構，可以簡單地描述為開關放大器或脈寬調制（PWM） 放大器，其輸出級在正電源和負電源之間切換從而產生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因為當輸出晶體管在不導通時具有零電流，并且在導通時具有很低的VDS，因而產生較小的功耗LDS×VDS。

基本D類放大器的信號流程

巧用電流監(jiān)控電路進一步提升音質

雖然利用D類放大器的低功耗優(yōu)點有力推動其音頻應用，但某些技術仍能改善音頻質量，例如使用反饋和預失真機制。在反饋機制中，輸出信號（通常來自濾波器）被送至輸入端的誤差校正模塊。誤差校正模塊可以是全模擬式，或者采用數(shù)字處理故意使音頻信號預失真，從而校正輸出瑕疵并改善音頻輸出質量。除了揚聲器的固有非線性之外，揚聲器阻抗因為溫度和老化而變化的趨向也可能引起這種瑕疵。

使用反饋機制的基本D類放大器

電流監(jiān)控電路可以獲取要反饋的數(shù)據(jù)進行誤差校正。電流監(jiān)控電路廣泛用于各種儀器儀表領域，以便實現(xiàn)保護、補償和控制，電流監(jiān)控的常見應用有電池監(jiān)控系統(tǒng)、電機控制、過流保護和4 mA至20 mA系統(tǒng)，在音頻等商業(yè)應用中也很有用。此類應用之一是監(jiān)控音頻放大器輸出到揚聲器的電流，以便提供音質補償和保護。選擇適合這種用途的器件存在挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)在于器件必須足夠魯棒以便接收音頻放大器輸出端的高壓脈沖。

ADI公司提供的精密差動放大器AD8479可以滿足這一要求，即使存在高達±600 V的共模電壓，它也能精確測量差分信號。下圖所示的輸入共模電壓與輸出電壓的關系曲線表明了這種能力。它具有以下特性：低失調電壓、低失調電壓漂移、低增益誤差漂移、出色的共模抑制比（CMRR）和寬頻率范圍。在本應用筆記中，AD8479配置為高端電流檢測放大器，用于監(jiān)控D類音頻放大器的電流。AD8479同時具有130 kHz的帶寬，可滿足音頻應用的帶寬需求。

AD8479輸入共模電壓與輸出電壓（VOUT）的關系

為了達成低失調、低噪聲的目的，電流監(jiān)控電路中還加入了ADA4805-1，這是一款低輸入失調電壓和低輸入失調電壓漂移軌到軌放大器。ADA4805-1的增益設置為10，產生的輸出電壓通常在下一級的輸入電壓范圍內。下一級通常使用逐次逼近型（SAR） ADC來處理音頻信號。AD8479輸出饋送到ADA4805-1輸入，后者用作ADC驅動器，增益為10。電阻容差應較低，以免電路產生較大失調漂移。

在使用配置±50 V電源電壓，提供1 kHz正弦輸出，可擴展輸出功率從25 W到500 W的D類功率放大器情況下，流經檢測電阻（RSENSE）的電流為4.74 A，產生475.71 mV峰值的滿量程電壓。共模電壓為37.9 V峰值。

電流監(jiān)控的主要誤差源分析

CMRR表示器件抑制各輸入端共模干擾信號的能力。數(shù)學上，它指共模增益變化與差分增益之比。如果存在高共模電壓，尤其是當測量小差分信號時，此參數(shù)常常是最大的誤差貢獻因素之一。CMRR產生一個對應的輸出失調電壓誤差，該誤差是系統(tǒng)總誤差的一部分。AD8479的額定CMRR為96 dB。另一個誤差源是失調電壓。滿量程信號越小，失調電壓貢獻的誤差越大。

AD8479的輸入失調電壓為1 mV，轉換為ppm時，貢獻滿量程（FS）的2102 ppm。ADA4805-1引入125 μV失調電壓，其乘以增益10，故而失調電壓引起的總誤差為滿量程（FS）的3352 ppm。此外，數(shù)據(jù)手冊顯示AD8479具有0.02% FS的增益誤差，因而AD8479給電路帶來的誤差為200 ppm FS。

表1和表2分別匯總了AD8479和ADA4805-1的主要誤差源。 AD8479失調電壓貢獻的誤差最大，在37.9 V輸入共模電壓 下，其為2102 ppm FS。共模電壓貢獻的誤差為1262 ppm FS。

實時監(jiān)控不僅需要高精度器件，還要求快速響應，以便應對目標電流的突然變化。輸出信號的變化速度必須跟得上輸入信號的變化速度，這就需要在很短的時間內正確解讀揚聲器的電氣狀態(tài)，甚至短路事件。下圖顯示了輸入和輸出響應與時間的關系，給出了輸入信號的上升時間以及AD8479和ADA4805-1的輸出。

顯示相位響應的實測電壓

小結

憑借小尺寸、高效率、發(fā)熱量小等多個優(yōu)勢，如今D類放大器已經在市面上大部分有源音箱中得到應用，其高保真特性也得到了音頻發(fā)燒友的一致認可。能夠提供精準測量的的電流監(jiān)控電路無疑能為D類放大器錦上添花。AD8479的高輸入共模電壓范圍為測量D類音頻放大器的典型信號輸出提供了必要的條件。此外， AD8479和ADA4805-1具有充足的帶寬來滿足音頻頻段的工作要求。這些因素加上出色的失調、增益和CMRR特性，能夠更科學的構建一個強大的音頻系統(tǒng)。