D類音頻功率放大器的評估及應(yīng)用
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以安森美半導(dǎo)體公司NCP2820為例，D類功率放大器使用完全不同于AB類的工作模式，如圖1所示，NCP2820內(nèi)部由三部分組成：預(yù)放大、采樣及脈寬調(diào)制和H型功率輸出部分。
預(yù)放大，由一個全差分模擬運(yùn)放構(gòu)成，對輸入的差分信號做相應(yīng)的放大，增益由內(nèi)部固定阻值的電阻Rf除以Ri得來。Ci和Ri構(gòu)成一個低通濾波電路，隔離輸入信號中不需要的直流部分。由于NCP2820使用了全差分運(yùn)放，所以如果輸入為全差分信號，Ci也可以省略。
采樣及脈寬調(diào)制，把預(yù)防大以后的信號和一個250kHz的三角波相比較后形成一個250kHz脈寬調(diào)制的方波信號。每個脈沖的寬度實(shí)時體現(xiàn)了輸入信號的幅度。
H型輸出電路，如圖1中顯示由兩對MOSFET構(gòu)成，并由前級產(chǎn)生的脈沖信號驅(qū)動。產(chǎn)生具有功率輸出的脈沖信號到負(fù)載揚(yáng)聲器。現(xiàn)在普遍應(yīng)用的8Ω動圈式揚(yáng)聲器，其內(nèi)部線圈具有近似15mH感抗和本身8Ω的阻抗構(gòu)成解調(diào)電路，可以把脈沖方波還原成模擬信號。這也是為什么不需要在輸出端外加低通濾波器做解調(diào)電路的原因。
NCP2820使用了1.5mm1.5mm flip-chip的小型封裝，以及很少的外部器件，使電路設(shè)計更為簡單，電路板布線也更為方便。但這里需要強(qiáng)調(diào)的是由于D類功放的輸出為近似 250kHz的脈沖波形，所以在布線時，盡量使功放靠近揚(yáng)聲器，以避免不必要的噪聲和干擾。
工程師在對AB類功放進(jìn)行測試時，可以直接用示波器探頭捕捉到實(shí)際的輸入和輸出波形。但是在測試D類功放時，由于輸出不是模擬的音頻信號，而是一定頻率的數(shù)字脈沖方波，這就需要附加濾波器來進(jìn)行測試。圖2為D類音頻功放的測試配置。
從工程師的角度看，THD+N（總諧波失真+噪聲）和PSRR（電源抑制比）是相對比較重要的兩個參數(shù)，這兩個參數(shù)直接體現(xiàn)了音頻放大器的性能。
圖3給出了測試諧波失真+噪聲的電路配置。利用音頻分析儀的信號發(fā)生器可以產(chǎn)生供測試用的標(biāo)準(zhǔn)正弦差分或單端信號輸入到NCP2820，并檢測NCP2820的輸出端。可以按照測試設(shè)定的要求分析輸入以及輸出信號，并按照設(shè)定，顯示出測試結(jié)果。
如果設(shè)定測試輸出THD+N性能相對輸出功率時，音頻分析儀的信號發(fā)生器會在一個固定頻率點(diǎn)上調(diào)整輸入到NCP2820的正弦波的幅度，并且測試出在不同幅度輸入下輸出信號的諧波值，依據(jù)給定負(fù)載計算出功率。這個功率值除以基帶功率就得到THD+N的測試結(jié)果，并以圖形形式表現(xiàn)出來，如圖4為 NCP2820在4.2V電源電壓，8Ω負(fù)載下，得到的測試結(jié)果?？梢钥闯鯪CP2820 在1W的輸出功率下，THD+N1%保證了輸出音樂的質(zhì)量
如果需要測試輸出THD+N性能相對信號頻率時，音頻分析儀的信號發(fā)生器會在一個固定幅度點(diǎn)上調(diào)整輸入到NCP2820的正弦波的頻率從 20Hz~20KHz，同時分析儀的接受端口測試出在不同頻率輸入下輸出信號的諧波值，每個測試值都需要與基帶頻率相比然后以圖形的形式表現(xiàn)出來, 圖5為NCP2820 在8Ω負(fù)載下得到THD+N性能相對頻率的特性曲線。
THD+N的性能決定了輸出音質(zhì)的好壞。由于D類功放的工作原理，因此性能會略差于AB類功放。
另一個相對重要的性能參數(shù)就是PSRR電源抑制比，這個參數(shù)體現(xiàn)了功放受電源電壓波動影響的程度。在便攜式無線通訊產(chǎn)品中顯得尤為重要。
如圖6中所示為電源抑制比測試的基本配置?？梢钥闯龊椭C波失真測試不同，此時的NCP2820的輸入端被接到地，理想情況下BTL輸出得到的差分信號應(yīng)該為零。但是由于電源波動會造成輸出信號產(chǎn)生相應(yīng)的波動，從而產(chǎn)生可以被聽見的噪聲。在測量電源抑制比相對電源波動頻率時，信號發(fā)生器產(chǎn)生一個幅度固定頻率從20Hz~20KHz的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，通過BUFFER驅(qū)動提供NCP2820工作所需的直流分量。分析儀的接受端口測試出在20Hz~20KHz頻率下，輸出信號的有效值，然后和輸入信號有效值相比較，并以圖形表示出來，如圖7以dB為單位表示的NCP2820的電源抑制比特性波特圖。
綜上所述，音頻放大器的測試配置需要依賴專業(yè)的音頻分析儀進(jìn)行，通常工程師會對系統(tǒng)作整體的測試，而不會針對放大器IC做上述詳細(xì)的測試。安森美半導(dǎo)體公司所提供的所有音頻放大器件包括NCP2890, NCP2892, NCP2809, NCP4894, NCP2820，NCP2821都在datasheet中提供了相應(yīng)的測試結(jié)果，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
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