D類音頻放大器的原理及其應(yīng)用

最近幾年首次提出的D類放大器近年來越來越受歡迎。什么是D類放大器？它們與其他類型的放大器相比如何？為什么D類對音頻感興趣？制作“好”的D類音頻放大器需要什么？ ADI的D類放大器產(chǎn)品有哪些特性？在以下頁面中找到所有這些問題的答案。

音頻放大器背景

音頻放大器的目標(biāo)是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上再現(xiàn)輸入音頻信號，并具有所需的音量和功率水平 - 忠實，高效，低失真。音頻頻率范圍從大約20 Hz到20 kHz，因此放大器必須在此范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)（驅(qū)動帶限揚(yáng)聲器時較少，例如低音揚(yáng)聲器或高音揚(yáng)聲器< / em>的）。電源功能因應(yīng)用而異，從耳機(jī)中的毫瓦到電視或PC音頻的幾瓦，到“迷你”家用立體聲和汽車音響的幾十瓦，到數(shù)百瓦以及更強(qiáng)大的家用和商用。聲音系統(tǒng) - 以及用聲音填充劇院或禮堂。

音頻放大器的簡單模擬實現(xiàn)使用線性模式的晶體管來創(chuàng)建輸出電壓，該輸出電壓是輸入電壓的縮放副本。正向電壓增益通常很高（至少40 dB）。如果正向增益是反饋環(huán)路的一部分，則總環(huán)路增益也會很高。通常使用反饋，因為高環(huán)路增益可以改善由前向路徑中的非線性引起的性能抑制失真，并通過增加電源抑制（PSR）來降低電源噪聲。

D類放大器優(yōu)勢

在傳統(tǒng)的晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時連續(xù)輸出電流的晶體管。音頻系統(tǒng)的許多可能實現(xiàn)包括A類，AB類和B類。與 D類設(shè)計相比，即使是最有效的線性，輸出級功耗也很大輸出階段。這種差異在許多應(yīng)用中具有D類顯著優(yōu)勢，因為較低的功耗可產(chǎn)生較少的熱量，節(jié)省電路板空間和成本，并延長便攜式系統(tǒng)的電池壽命。

線性放大器，D類放大器和電源耗散

線性放大器輸出級直接連接到揚(yáng)聲器（在某些情況下通過電容器）。如果在輸出級中使用雙極結(jié)型晶體管（BJT），它們通常以線性模式工作，具有大的集電極 - 發(fā)射極電壓。輸出級也可以用MOS晶體管實現(xiàn)，如圖1所示。

電源在所有線性輸出級耗散，因為產(chǎn)生 V OUT的過程 在至少一個輸出晶體管中不可避免地導(dǎo)致非零 I DS 和 V DS 。功耗量很大程度上取決于偏置輸出晶體管的方法。

A類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用其中一個晶體管作為直流電流源，能夠提供揚(yáng)聲器所需的最大音頻電流。 A類輸出級可以獲得良好的音質(zhì)，但功耗很大，因為大的直流偏置電流通常流入輸出級晶體管（我們不需要它），而不是交付揚(yáng)聲器（我們確實需要它）。

B類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可消除直流偏置電流，并顯著降低功耗。其輸出晶體管以推挽方式單獨控制，允許MH器件向揚(yáng)聲器提供正電流，ML用于吸收負(fù)電流。這降低了輸出級功耗，僅通過晶體管傳導(dǎo)信號電流。然而，由于非線性行為（交叉失真），當(dāng)輸出電流通過零并且晶體管在開啟和關(guān)閉條件之間變化時，B類電路的聲音質(zhì)量較差。

< p> AB類是A類和B類的混合折衷方案，它使用一些直流偏置電流，但遠(yuǎn)低于純A類設(shè)計。小的直流偏置電流足以防止交叉失真，從而實現(xiàn)良好的音質(zhì)。功耗盡管在A類和B類限制之間，但通常更接近B類。需要一些類似于B類電路的控制，以允許AB類電路提供或吸收大輸出電流。

不幸的是，即使設(shè)計精良的AB類放大器也具有顯著的功耗，因為其中端輸出電壓通常遠(yuǎn)離正或負(fù)電源軌。因此，大的漏源電壓降會產(chǎn)生顯著的 I DS × V DS 瞬時功耗。

由于采用了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖2）， Class D 放大器的耗電量遠(yuǎn)低于上述任何一種。其輸出級在正電源和負(fù)電源之間切換，以產(chǎn)生一系列電壓脈沖。該波形對于功耗是有利的，因為輸出晶體管在不切換時具有零電流，并且在它們導(dǎo)通電流時具有低 V DS ，因此給出較小的 I DS ×V DS 。

由于大多數(shù)音頻信號不是脈沖序列，因此必須包含調(diào)制器將音頻輸入轉(zhuǎn)換為脈沖。脈沖的頻率內(nèi)容包括期望的音頻信號和與調(diào)制過程有關(guān)的顯著的高頻能量。通常在輸出級和揚(yáng)聲器之間插入低通濾波器，以最小化電磁干擾（EMI）并避免以過高的高頻能量驅(qū)動揚(yáng)聲器。濾波器（圖3）需要無損耗（或幾乎如此），以保持開關(guān)輸出級的功耗優(yōu)勢。濾波器通常使用電容器和電感器，唯一有意耗散的元件是揚(yáng)聲器。

圖4比較了A類和B類放大器的理想輸出級功耗（ P DISS ）和AD1994 D類放大器的測量功耗，給出音頻正弦波信號，繪制傳送到揚(yáng)聲器的功率（ P LOAD ）。功率數(shù)歸一化為功率電平， P LOAD max ，正弦頻率被剪切到足以導(dǎo)致10％的總諧波失真（THD）。垂直線表示削波開始的 P LOAD 。

對于各種負(fù)載，功耗的顯著差異是可見的，特別是在高和中等價值。在削波開始時，D類輸出級的耗散比B類低約2.5倍，比A類低27倍。注意，A類輸出級消耗的功率大于傳送到揚(yáng)聲器的功率-a使用大直流偏置電流的結(jié)果。

輸出級功率效率 Eff 定義為

在削波開始時，A類放大器的 Eff = 25％，B類放大器為78.5％，D類放大器為90％（見圖5） ）。 A類和B類的最佳案例值是教科書中經(jīng)常提到的值。

在中等功率水平下，功耗和效率的差異會擴(kuò)大。這對于音頻來說非常重要，因為嘈雜音樂的長期平均水平要低于瞬時峰值水平（取決于音樂類型的5到20倍），接近 P LOAD < / sub> max 。因此，對于音頻放大器，[ P LOAD = 0.1× P LOAD max ]是合理的平均功率電平在哪里評估 P DISS 。在此級別，D類輸出級功耗比B類低9倍，比A類低107倍。

對于10 W P LOAD的音頻放大器 max ，1 W的平均 P LOAD 可以被認(rèn)為是真實的聽力水平。在這種情況下，D類輸出級內(nèi)的功耗為282 mW，B類為2.53 W，A類為 30.2 W 。在這種情況下，D類效率降至78％ - 從更高功率的90％。但即使78％也比B級和A級效率好得多 - 分別為28％和3％。

這些差異對系統(tǒng)設(shè)計有重要影響。對于高于1 W的功率水平，線性輸出級的過度耗散需要顯著的冷卻措施以避免不可接受的加熱 - 通常通過使用大塊金屬作為散熱器，或使用風(fēng)扇將空氣吹過放大器。如果放大器被實現(xiàn)為集成電路，則可能需要龐大且昂貴的熱增強(qiáng)封裝以促進(jìn)熱傳遞。這些考慮因素在消費(fèi)類產(chǎn)品中非常繁重，例如平板電視，其中空間是高級或汽車音響，其趨勢是將更高的通道數(shù)量塞入固定空間。

對于以下功率水平1 W，浪費(fèi)的電力可能比發(fā)熱更困難。如果使用電池供電，線性輸出級將比D類設(shè)計更快地耗盡電池電量。在上面的例子中，D類輸出級消耗的電源電流比B類低2.8倍，比A類低23.6倍，導(dǎo)致手機(jī)，PDA和MP3播放器等產(chǎn)品的電池使用壽命大不相同。

為簡單起見，迄今為止的分析主要集中在放大器輸出級。然而，當(dāng)考慮放大器系統(tǒng)中的所有功率耗散源時，線性放大器可以在低輸出功率水平下比D類放大器更有利。原因是產(chǎn)生和調(diào)制開關(guān)波形所需的功率在低電平時可能是顯著的。因此，精心設(shè)計的低至中等功率AB類放大器的系統(tǒng)級靜態(tài)耗散可以使它們與D類放大器競爭。不過，對于更高的輸出功率范圍，D類功耗無疑是優(yōu)越的。

D類放大器術(shù)語，以及差分與單端版本

圖3顯示了D類放大器中輸出晶體管和LC濾波器的差分實現(xiàn)。該 H橋具有兩個半橋開關(guān)電路，其向濾波器提供相反極性的脈沖，其包括兩個電感器，兩個電容器和揚(yáng)聲器。每個半橋包含兩個輸出晶體管 - 連接到正電源的高側(cè)晶體管（MH）和連接到負(fù)電源的低側(cè)晶體管（ML）。這里的圖表顯示了高端 p MOS晶體管。高端 n MOS晶體管通常用于減小尺寸和電容，但需要特殊的柵極驅(qū)動技術(shù)來控制它們（進(jìn)一步閱讀1）。

全H橋電路通常從單電源（V DD ）開始，接地用于負(fù)電源端子（V SS ）。對于給定的V DD 和V SS ，橋的差分特性意味著它可以提供兩倍的輸出信號和四倍于單端實現(xiàn)的輸出功率。半橋電路可以由雙極電源或單電源供電，但單電源版本會在揚(yáng)聲器上施加潛在有害的直流偏置電壓V DD / 2，除非是隔離電容添加。

半橋電路的電源電壓總線可以通過LC濾波器的大電感電流“泵浦”超過其標(biāo)稱值。通過在V DD 和V SS 之間添加大的去耦電容，可以限制泵浦瞬態(tài)的dV / dt。全橋電路不會受到總線泵浦的影響，因為流入其中一個半橋的電感電流流出另一個半橋，從而產(chǎn)生局部電流環(huán)路，最大限度地干擾電源。

音頻D類放大器設(shè)計中的因素

較低的功耗為使用D類音頻應(yīng)用提供了強(qiáng)烈動力，但設(shè)計人員面臨著重大挑戰(zhàn)。這些包括：

輸出晶體管尺寸的選擇

輸出級保護(hù)

聲音質(zhì)量

調(diào)制技術(shù)

EMI

LC濾波器設(shè)計

系統(tǒng)成本

輸出晶體管尺寸的選擇

輸出晶體管選擇尺寸以優(yōu)化各種信號條件下的功耗。在執(zhí)行大型 I DS 時確保 V DS 保持較小需要導(dǎo)通電阻（ R ON ）輸出晶體管很?。ㄍǔ?.1歐姆至0.2歐姆）。但這需要具有顯著柵極電容的大晶體管（ C G ）。切換電容的柵極驅(qū)動電路消耗功率 CV 2 f ，其中 C 是電容， V 是充電期間的電壓變化， f 是開關(guān)頻率。如果電容或頻率太高，則“開關(guān)損耗”變得過大，因此存在實際的上限。因此，晶體管尺寸的選擇是在導(dǎo)通期間最小化 I DS × V DS 損耗之間的權(quán)衡。最小化切換損失。在高輸出功率水平下，導(dǎo)通損耗將主導(dǎo)功耗和效率，而在低輸出水平時，功耗由開關(guān)損耗決定。功率晶體管制造商嘗試最小化其器件的 R ON × C G 產(chǎn)品，以降低器件的總功耗切換應(yīng)用，并提供開關(guān)頻率選擇的靈活性。

保護(hù)輸出級

必須保護(hù)輸出級免受多種潛在危險情況的影響：

過熱：D級的輸出級功耗雖然低于線性放大器，但如果放大器被強(qiáng)制使用，仍會達(dá)到危及輸出晶體管的水平長時間提供非常高的功率。為了防止危險的過熱，需要溫度監(jiān)控控制電路。在簡單的保護(hù)方案中，當(dāng)由片上傳感器測量的溫度超過熱關(guān)斷安全閾值時，輸出級關(guān)閉，并保持關(guān)閉直至其冷卻。除了關(guān)于溫度是否超過關(guān)閉閾值的簡單二進(jìn)制指示之外，傳感器還可以提供額外的溫度信息。通過測量溫度，控制電路可逐漸降低音量，降低功耗并將溫度保持在極限范圍內(nèi)，而不是在熱關(guān)機(jī)事件期間強(qiáng)制出現(xiàn)明顯的靜音時間。

輸出晶體管中的電流過大：如果輸出級和揚(yáng)聲器端子正確連接，輸出晶體管的低 on 電阻不成問題，但是大電流可以結(jié)果，如果這些節(jié)點無意中彼此短路，或者與正或負(fù)電源短路。如果不加以控制，這種電流會損壞晶體管或周圍電路。因此，需要電流感測輸出晶體管保護(hù)電路。在簡單的保護(hù)方案中，如果輸出電流超過安全閾值，則關(guān)閉輸出級。在更復(fù)雜的方案中，電流傳感器輸出被反饋到放大器中，以將輸出電流限制到最大安全水平，同時允許放大器連續(xù)運(yùn)行而不關(guān)閉。在這些方案中，如果嘗試限制證明無效，則可以強(qiáng)制關(guān)閉作為最后的手段。由于揚(yáng)聲器諧振，有效電流限制器還可以在存在瞬時大瞬態(tài)電流的情況下保持放大器安全運(yùn)行。

欠壓：大多數(shù)開關(guān)輸出級只有當(dāng)正電源電壓足夠高時，電路才能正常工作。如果存在電壓過低的欠壓條件，則會出現(xiàn)問題。此問題通常由欠壓鎖定電路處理，該電路允許輸出級僅在電源電壓高于欠壓鎖定閾值時才能運(yùn)行。

輸出晶體管導(dǎo)通時序：MH和ML輸出級晶體管（圖6）具有非常低的 on 電阻。因此，重要的是避免MH和ML同時導(dǎo)通的情況，因為這將通過晶體管產(chǎn)生從V DD 到V SS 的低阻抗路徑。一個大的直通電流。充其量，晶體管會升溫并浪費(fèi)電力;在最壞的情況下，晶體管可能會損壞。晶體管的先斷后合控制通過在接通之前強(qiáng)制關(guān)閉兩個晶體管來防止擊穿條件。兩個晶體管關(guān)閉的時間間隔稱為非重疊時間或死區(qū)時間。

聲音質(zhì)量

必須解決幾個問題才能在D類放大器中獲得良好的整體音質(zhì)。

點擊和彈出，當(dāng)放大器開啟時會發(fā)生或者關(guān)閉可能非常煩人。不幸的是，除非在放大器靜音或取消靜音時仔細(xì)注意調(diào)制器狀態(tài)，輸出級時序和LC濾波器狀態(tài)，否則它們很容易引入D類放大器。

信噪比（SNR）：為了避免放大器本底噪聲發(fā)出嘶嘶聲對于便攜式應(yīng)用，低功率放大器的SNR通常應(yīng)超過90 dB，中功率設(shè)計的信噪比應(yīng)為100 dB，高功率設(shè)計的信噪比應(yīng)為110 dB。這對于各種放大器實現(xiàn)是可實現(xiàn)的，但是在放大器設(shè)計期間必須跟蹤各個噪聲源以確保令人滿意的整體SNR。

失真機(jī)制：這些包括調(diào)制技術(shù)或調(diào)制器實現(xiàn)中的非線性 - 以及輸出級用于解決直通電流問題的死區(qū)時間。

有關(guān)音頻信號電平的信息通常以寬度編碼D類調(diào)制器輸出脈沖。增加死區(qū)時間以防止輸出級直通電流引入非線性定時誤差，其在揚(yáng)聲器中產(chǎn)生與理想脈沖寬度相關(guān)的定時誤差成比例的失真。避免擊穿的最短死區(qū)時間通常最適合最小化失真;參見進(jìn)一步閱讀2，了解優(yōu)化開關(guān)輸出級失真性能的詳細(xì)設(shè)計方法。

其他失真源包括：輸出脈沖的上升和下降時間不匹配，輸出晶體管柵極驅(qū)動電路的時序特性不匹配，以及LC低通濾波器元件的非線性。

電源抑制（PSR）：在圖2的電路中，電源噪聲幾乎直接耦合到揚(yáng)聲器，幾乎沒有拒絕。這是因為輸出級晶體管通過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，但設(shè)計用于傳遞所有音頻，包括噪聲。有關(guān)單端和差分開關(guān)輸出級電路中電源噪聲影響的詳細(xì)說明，請參閱“進(jìn)一步閱讀3”。

如果沒有解決失真和電源問題，則很難實現(xiàn)PSR優(yōu)于10 dB，或總諧波失真（THD）優(yōu)于0.1％。更糟糕的是，THD往往是聽起來不好的高階類型。

幸運(yùn)的是，這些問題有很好的解決方案。使用具有高環(huán)路增益的反饋（如許多線性放大器設(shè)計中所做的那樣）有很大幫助。來自LC濾波器輸入的反饋將極大地改善PSR并衰減所有非LC濾波器失真機(jī)制。通過在反饋回路中包括揚(yáng)聲器，可以衰減LC濾波器的非線性。精心設(shè)計的閉環(huán)D類放大器可以獲得PSR> 60 dB和THD <0.01％的發(fā)燒級音質(zhì)。

反饋使放大器設(shè)計復(fù)雜化，因為必須解決環(huán)路穩(wěn)定性問題（高階設(shè)計的一個重要考慮因素）。此外，連續(xù)時間模擬反饋對于捕獲有關(guān)脈沖定時誤差的重要信息是必要的，因此控制環(huán)路必須包括用于處理反饋信號的模擬電路。在集成電路放大器實現(xiàn)中，這會增加芯片成本。

為了最大限度地降低IC成本，一些供應(yīng)商更愿意最小化或消除模擬電路內(nèi)容。有些產(chǎn)品使用數(shù)字開環(huán)調(diào)制器，加上模數(shù)轉(zhuǎn)換器來檢測電源變化，并調(diào)整調(diào)制器的行為以進(jìn)行補(bǔ)償，如進(jìn)一步閱讀3所述。這可以提高PSR，但不會解決任何問題。失真問題。其他數(shù)字調(diào)制器試圖預(yù)補(bǔ)償預(yù)期的輸出級定時誤差，或校正調(diào)制器的非理想性。這可以至少部分地解決一些失真機(jī)制，但不是全部。這些開環(huán)D類放大器可以處理容忍相當(dāng)寬松的音質(zhì)要求的應(yīng)用，但是為了獲得最佳音質(zhì)，某種形式的反饋似乎是必要的。

調(diào)制技術(shù)

D類調(diào)制器可以通過多種方式實施，并得到大量相關(guān)研究和知識產(chǎn)權(quán)的支持。本文僅介紹基本概念。

所有D類調(diào)制技術(shù)都將有關(guān)音頻信號的信息編碼為脈沖流。通常，脈沖寬度與音頻信號的幅度相關(guān)聯(lián)，并且脈沖的頻譜包括期望的音頻信號加上不期望的（但不可避免的）高頻內(nèi)容。所有方案中的總集成高頻功率大致相同，因為時域波形中的總功率是相似的，并且根據(jù)Parseval定理，時域中的功率必須等于頻域中的功率。然而，能量的分布變化很大：在一些方案中，在低噪聲基底上存在高能量音調(diào)，而在其他方案中，能量被整形以消除音調(diào)但噪聲基底更高。

< p>最常見的調(diào)制技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制（PWM）。從概念上講，PWM將輸入音頻信號與以固定載波頻率運(yùn)行的三角波或斜坡波形進(jìn)行比較。這在載波頻率處產(chǎn)生脈沖流。在載波的每個周期內(nèi)，PWM脈沖的占空比與音頻信號的幅度成比例。在圖7的示例中，音頻輸入和三角波都以0V為中心，因此對于0輸入，輸出脈沖的占空比為50％。對于大正輸入，它接近100％，對于大負(fù)輸入接近0％。如果音頻幅度超過三角波的幅度，則發(fā)生全調(diào)制，脈沖串停止切換，各個周期內(nèi)的占空比為0％或100％。

PWM非常有吸引力，因為它可以在幾百千赫的PWM載波頻率下實現(xiàn)100 dB或更高的音頻SNR，足以限制輸出級的開關(guān)損耗。此外，許多PWM調(diào)制器在高達(dá)近100％調(diào)制的情況下都是穩(wěn)定的，其概念允許高輸出功率上升到過載點。然而，PWM有幾個問題：首先，PWM過程在許多實現(xiàn)中固有地增加了失真（進(jìn)一步閱讀4）;接下來，PWM載波頻率的諧波在AM無線電頻帶內(nèi)產(chǎn)生EMI;最后，PWM脈沖寬度在完全調(diào)制附近變得非常小。這在大多數(shù)開關(guān)輸出級柵極驅(qū)動器電路中引起問題 - 由于它們具有有限的驅(qū)動能力，它們不能以再現(xiàn)寬度為幾納秒的短脈沖所需的過高速度正確地切換。因此，在基于PWM的放大器中通常無法實現(xiàn)完全調(diào)制，將最大可實現(xiàn)的輸出功率限制為小于理論最大值 - 僅考慮電源電壓，晶體管 on 電阻和揚(yáng)聲器阻抗。 / p>

PWM的替代方案是脈沖密度調(diào)制（PDM），其中給定時間窗口中的脈沖數(shù)與輸入音頻信號的平均值成比例。各個脈沖寬度不能像PWM那樣任意，而是“量化”到調(diào)制器時鐘周期的倍數(shù)。 1位Σ-Δ調(diào)制是PDM的一種形式。

sigma-delta中的大部分高頻能量分布在很寬的頻率范圍內(nèi) - 不集中在載波頻率倍數(shù)的音調(diào)中，如在提供Σ-Δ調(diào)制的PWM中，具有優(yōu)于PWM的潛在EMI優(yōu)勢。能量仍然存在于PDM采樣時鐘頻率的圖像中;但是，典型的時鐘頻率從3 MHz到6 MHz，圖像在音頻頻段之外 - 并且被LC低通濾波器強(qiáng)烈衰減。

sigma-delta的另一個優(yōu)點是最小脈沖寬度是一個采樣時鐘周期，即使對于接近完全調(diào)制的信號條件也是如此。這簡化了柵極驅(qū)動器設(shè)計，并允許安全操作以達(dá)到理論上的全功率。盡管如此，在D類放大器中不經(jīng)常使用1位Σ-Δ調(diào)制（進(jìn)一步閱讀4），因為傳統(tǒng)的1位調(diào)制器僅對50％調(diào)制穩(wěn)定。此外，需要至少64倍的過采樣才能獲得足夠的音頻帶SNR，因此典型的輸出數(shù)據(jù)速率至少為1 MHz，功率效率也有限。

最近，< em>自振蕩放大器已經(jīng)開發(fā)出來，例如進(jìn)一步讀取的放大器5.這種類型的放大器總是包括一個反饋環(huán)路，環(huán)路的特性決定了調(diào)制器的開關(guān)頻率，而不是外部的提供時鐘。高頻能量通常比PWM更均勻分布。由于反饋，可以獲得出色的音頻質(zhì)量，但是環(huán)路是自振蕩的，因此很難與任何其他開關(guān)電路同步，或者在沒有先將數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬信號的情況下連接到數(shù)字音頻源。

全橋電路（圖3）可以使用“3態(tài)”調(diào)制來降低差分EMI。對于傳統(tǒng)的差動操作，半橋A的輸出極性必須與半橋B的輸出極性相反。只存在兩種差動工作狀態(tài)：輸出A為高電平，輸出B為低電平;和B低的低點。然而，存在兩個額外的共模狀態(tài)，其中兩個半橋輸出具有相同的極性（高或低兩個）。這些共模狀態(tài)中的一個可以與差分狀態(tài)結(jié)合使用以產(chǎn)生3態(tài)調(diào)制，其中LC濾波器的差分輸入可以是正的，0或負(fù)的。 0狀態(tài)可用于表示低功率電平，而不是像在2狀態(tài)方案中那樣在正狀態(tài)和負(fù)狀態(tài)之間切換。在0狀態(tài)期間LC濾波器中發(fā)生非常小的差分活動，從而降低了差分EMI，盡管實際上增加了共模EMI。差分效益僅適用于低功率水平，因為正負(fù)狀態(tài)仍必須用于向揚(yáng)聲器提供大量功率。三態(tài)調(diào)制方案中變化的共模電壓電平對閉環(huán)放大器提出了設(shè)計挑戰(zhàn)。

馴服EMI

D類放大器的高頻成分輸出優(yōu)點認(rèn)真考慮。如果沒有正確理解和管理，這些組件可能會產(chǎn)生大量EMI并中斷其他設(shè)備的運(yùn)行。

兩種EMI是關(guān)注的：輻射到空間的信號和通過揚(yáng)聲器傳導(dǎo)的信號 - 和電源線。 D類調(diào)制方案確定傳導(dǎo)和輻射EMI分量的基線頻譜。然而，一些板級設(shè)計技術(shù)可用于降低D類放大器發(fā)出的EMI，盡管它具有基線頻譜。

一個有用的原則是最小化承載高頻電流的環(huán)路面積，因為相關(guān)EMI的強(qiáng)度與環(huán)路面積和環(huán)路與其他電路的接近度有關(guān)。例如，整個LC濾波器（包括揚(yáng)聲器布線）應(yīng)盡可能緊湊地布置，并靠近放大器。應(yīng)將當(dāng)前驅(qū)動和返回路徑的跡線保持在一起，以最大限度地減少環(huán)路區(qū)域（使用雙絞線作為揚(yáng)聲器導(dǎo)線很有幫助）。另一個需要關(guān)注的地方是在切換輸出級晶體管的柵極電容時發(fā)生的大電荷瞬變。通常，該電荷來自儲存器電容，形成包含兩個電容的電流回路。通過最小化環(huán)路面積可以減小環(huán)路中瞬變的EMI影響，這意味著將儲能電容盡可能地靠近它所充電的晶體管放置。

插入RF有時很有幫助與放大器電源串聯(lián)的扼流圈。放置得恰當(dāng)，它們可以將高頻瞬態(tài)電流限制在放大器附近的本地環(huán)路中，而不是沿著電源線長距離傳導(dǎo)。

如果柵極驅(qū)動非重疊時間非常長，感應(yīng)電流從揚(yáng)聲器或LC濾波器可以在輸出級晶體管的端子處正向偏置寄生二極管。當(dāng)非重疊時間結(jié)束時，二極管上的偏壓從正向變?yōu)榉聪?。在二極管完全關(guān)閉之前，大的反向恢復(fù)電流尖峰可以流動，從而產(chǎn)生麻煩的EMI源。通過保持非重疊時間非常短（也建議最小化音頻失真）可以最小化這個問題。如果反向恢復(fù)行為仍然是不可接受的，肖特基二極管可以與晶體管的寄生二極管并聯(lián)，以便轉(zhuǎn)移電流并防止寄生二極管導(dǎo)通。這有助于因為肖特基二極管的金屬 - 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)形電感器內(nèi)核的LC濾波器可以最大限度地減少放大器電流引起的雜散場線。來自更便宜的鼓磁芯的輻射可以通過屏蔽來降低，這是成本和EMI性能之間的良好折衷 - 如果注意確保屏蔽不會不可接受地降低電感線性度和聲音質(zhì)量。揚(yáng)聲器。

LC濾波器設(shè)計

為了節(jié)省成本和電路板空間，大多數(shù)D類放大器的LC濾波器都是二階低通設(shè)計。圖3描繪了二階LC濾波器的差分版本。揚(yáng)聲器用于抑制電路的固有共振。雖然揚(yáng)聲器阻抗有時近似為簡單的電阻，但實際阻抗更復(fù)雜并且可能包括顯著的無功分量。為了獲得濾波器設(shè)計的最佳效果，應(yīng)始終尋求使用精確的揚(yáng)聲器模型。

常見的濾波器設(shè)計選擇是針對濾波器中下垂的最低帶寬在感興趣的最高音頻處的響應(yīng)被最小化。如果對于高達(dá)20 kHz的頻率需要小于1 dB的下垂，典型濾波器具有40 kHz巴特沃斯響應(yīng)（以實現(xiàn)最大平坦的通帶）。表中的標(biāo)稱分量值給出了普通揚(yáng)聲器阻抗和標(biāo)準(zhǔn)L和C值的近似巴特沃斯響應(yīng)：

如果設(shè)計不包含揚(yáng)聲器的反饋，揚(yáng)聲器的THD將對線性度敏感LC濾波器元件。

電感設(shè)計因素：設(shè)計或選擇電感的重要因素包括磁芯的額定電流和形狀以及繞組電阻。

電流額定值：所選擇的磁芯應(yīng)具有高于預(yù)期最高放大器電流的額定電流。原因是如果電流超過額定電流閾值且磁通密度變?yōu)榇罅?，則許多電感器磁芯將磁飽和太高導(dǎo)致不希望的電感急劇減少。

通過在線芯周圍纏繞導(dǎo)線形成電感。如果有許多匝數(shù)，則與總線長度相關(guān)的電阻是顯著的。由于這個電阻串聯(lián)在半橋和揚(yáng)聲器之間，因此一些輸出功率將在其中消散。如果電阻過高，請使用較粗的導(dǎo)線或?qū)⒋判靖鼡Q為需要較少匝數(shù)的不同材料，以提供所需的電感。

最后，不應(yīng)忘記使用的電感形式如上所述，會影響EMI。

系統(tǒng)成本

使用D類放大器的音頻系統(tǒng)的總體成本中有哪些重要因素？我們?nèi)绾尾拍茏畲笙薅鹊亟档统杀灸兀?/p>

D類放大器的有源組件是開關(guān)輸出級和調(diào)制器。該電路的構(gòu)建成本與模擬線性放大器的成本大致相同。在考慮系統(tǒng)的其他組件時會發(fā)生真正的權(quán)衡。

D類的較低功耗可以節(jié)省冷卻設(shè)備（如散熱器或風(fēng)扇）的成本（和空間）。 D類集成電路放大器可以使用比線性放大器更小和更便宜的封裝。當(dāng)從數(shù)字音頻源驅(qū)動時，模擬線性放大器需要D / A轉(zhuǎn)換器（DAC）將音頻轉(zhuǎn)換為模擬形式。對于模擬輸入D類放大器也是如此，但數(shù)字輸入類型有效地集成了DAC功能。

另一方面，D類的主要成本劣勢是LC濾波器。元件 - 尤其是電感器 - 占用電路板空間并增加了成本。在高功率放大器中，整體系統(tǒng)成本仍然具有競爭力，因為LC濾波器的成本可以通過冷卻設(shè)備的大量節(jié)省來抵消。但在成本敏感的低功耗應(yīng)用中，電感器的成本變得繁重。在極端情況下，例如用于手機(jī)的廉價放大器，放大器IC可能比總LC濾波器成本便宜。此外，即使忽略貨幣成本，LC濾波器占用的電路板空間也可能成為小型應(yīng)用中的一個問題。

為解決這些問題，有時會完全消除LC濾波器，以創(chuàng)建無濾波器放大器。這樣可以節(jié)省成本和空間，但卻失去了低通濾波的優(yōu)勢。如果沒有濾波器，EMI和高頻功耗會增加得無法接受 - 除非揚(yáng)聲器具有電感并且非?？拷糯笃鳎駝t電流環(huán)路面積最小，功率水平保持較低。雖然通?？梢栽谑謾C(jī)等便攜式應(yīng)用中使用，但對于家用立體聲等高功率系統(tǒng)來說這是不可行的。

另一種方法是盡可能減少每個音頻通道所需的LC濾波器組件的數(shù)量。這可以通過使用單端半橋輸出級來實現(xiàn)，這需要差分全橋電路所需的Ls和Cs數(shù)量的一半。但是，如果半橋需要雙極電源，那么與產(chǎn)生負(fù)電源相關(guān)的費(fèi)用可能會過高，除非為某些其他目的已經(jīng)存在負(fù)電源 - 或者放大器具有足夠的音頻通道，以攤銷負(fù)電源的成本供應(yīng)?；蛘撸霕蚩梢杂蓡坞娫垂╇?，但這會降低輸出功率，并且通常需要一個大型隔直電容。

ADI公司D類放大器

所有剛剛討論的設(shè)計挑戰(zhàn)可以構(gòu)成一個相當(dāng)苛刻的項目。為了節(jié)省設(shè)計人員的時間，ADI公司提供各種D類放大器集成電路，包括可編程增益放大器，調(diào)制器和功率輸出級。為簡化評估，每種放大器類型都有演示板，以簡化評估。每種電路板的PCB布局和材料清單都可作為可行的參考設(shè)計，幫助客戶快速設(shè)計工作，經(jīng)濟(jì)高效的音頻系統(tǒng)，而無需“重新發(fā)明輪子”來解決主要的D類放大器設(shè)計挑戰(zhàn)。

例如，考慮AD1990，AD1992和AD1994系列雙放大器IC，針對中等功率立體聲或單聲道應(yīng)用，需要兩個通道，每通道輸出高達(dá)5,10-和25-W。以下是這些IC的一些屬性：

AD1994 D類音頻功率放大器結(jié)合了兩個可編程增益放大器，兩個sigma-delta調(diào)制器和兩個功率輸出級，用于驅(qū)動家庭影院，汽車和PC音頻應(yīng)用中的全H橋連接負(fù)載。它產(chǎn)生的開關(guān)波形可以驅(qū)動立體聲揚(yáng)聲器，每個揚(yáng)聲器最高可達(dá)25 W，或單個揚(yáng)聲器可達(dá)50 W單聲道，效率可達(dá)90％。其單端輸入應(yīng)用于可編程增益放大器（PGA），增益可設(shè)置為0,6,12和18 dB，以處理低電平信號。

器件具有集成保護(hù)，防止過熱，過流和直通電流的輸出級危險。由于特殊的定時控制，軟啟動和直流偏移校準(zhǔn)，與靜音相關(guān)的咔嗒聲和砰砰聲最小。規(guī)格包括0.001％THD，105 dB動態(tài)范圍和> 60 dB PSR，使用來自開關(guān)輸出級的連續(xù)時間模擬反饋和優(yōu)化的輸出級柵極驅(qū)動。其1位Σ-Δ調(diào)制器特別針對D類應(yīng)用進(jìn)行了增強(qiáng)，可實現(xiàn)500 kHz的平均數(shù)據(jù)頻率，高環(huán)路增益至90％調(diào)制，以及完全調(diào)制的穩(wěn)定性。 獨立調(diào)制器模式允許它驅(qū)動外部FET以獲得更高的輸出功率。

它為PGA，調(diào)制器和數(shù)字邏輯使用5 V電源，為開關(guān)輸出級使用8 V至20 V的高壓電源。相關(guān)參考設(shè)計符合FCC B類EMI要求。當(dāng)采用5 V和12 V電源驅(qū)動6 ohm負(fù)載時，AD1994靜態(tài)消耗487 mW，2 x 1 W輸出電平消耗710 mW， power-down 模式消耗0.27 mW。采用64引腳LFCSP封裝，額定溫度范圍為-40°C至+ 85°C

有關(guān)D類放大器的更多技術(shù)信息 - 包括Blackfin處理器的實現(xiàn) - 可以在進(jìn)一步閱讀部分找到。

致謝

作者要感謝ADI公司的Art Kalb和Rajeev Morajkar對本文的深思熟慮。

進(jìn)一步閱讀

< li>國際整流器，應(yīng)用筆記AN-978，“高壓浮動MOS柵極驅(qū)動器IC”。

Nyboe，F(xiàn)。等人，“D類放大器輸出中開環(huán)失真的時域分析”階段，“2005年9月在丹麥哥本哈根舉行的AES第27屆國際會議上發(fā)表。

Zhang，L。等，”噪聲型D類放大器的實時電源補(bǔ)償“， 2004年10月，加利福尼亞州舊金山舉行的第117屆AES大會上。

Nielsen，K。，“用于模擬和數(shù)字輸入開關(guān)功率放大器的脈沖寬度調(diào)制（PWM）方法的回顧和比較”，于1997年3月在德國慕尼黑舉行的第102屆AES大會上發(fā)表。

Putzeys，B。，“具有全輸出濾波器控制的簡單自振蕩D類放大器”，于118日發(fā)表AES公約，西班牙巴塞羅那，2005年5月。

Gaalaas，E.，et al，“Integrated Stereo Delta-Sigma Class D Amplifier，” IEEE J. Solid-State Circuits ，第一卷40，不。 12，2005年12月，第2388-2397頁。關(guān)于AD199x調(diào)制器。

Morrow，P。等人，“采用0.6 mm BCDMOS技術(shù)的20 W立體聲D類音頻輸出級”， IEEE J.固態(tài)電路，vol。 39，不。 2004年11月11日，第1948-1958頁。關(guān)于AD199x開關(guān)輸出級。

PWM和D類放大器，采用ADSP-BF535 Blackfin ?處理器，Analog Devices工程師對工程師注意事項EE-242。