新型無濾波器D類放大器及其應(yīng)用設(shè)計(jì)技巧

　　如今，MP3播放器、PMP和手機(jī)等便攜產(chǎn)品都面臨延長電池使用時間的挑戰(zhàn)。在這方面，由于比AB類放大器具備更高的效率，D類放大器備受矚目，特別是無濾波器D類放大器為工程師在設(shè)計(jì)便攜產(chǎn)品時提供了更大的靈活性。

圖1：典型的D類放大器工作情況。 本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/259047.htm

　　如今，MP3播放器、便攜式媒體播放器(PMP)或手機(jī)等許多便攜式產(chǎn)品都具備MP3或MP4播放/錄音功能。不論采用的是硬件抑或軟件解碼，功耗都是個問題。因此，這些便攜式產(chǎn)品所采用的電池也遇到使用時間縮短的難題。某些情況下，用戶會用免提(揚(yáng)聲器模式)播放電影或音樂。這給系統(tǒng)電池增添了額外的負(fù)擔(dān)。盡管電池容量通過采用新技術(shù)——從鎳鉻(Ni-Cad)電池到鎳氫(Ni-MH)電池再到鋰離子(Li-ion)電池——而得到改進(jìn)，但仍然無法完全克服電池使用時間縮短的問題。

　　為了使電池貯存更多的電量，功率放大器成為了我們注意的一個焦點(diǎn)。其中，D類放大器具有比AB類放大器更高的效率。大家知道，典型的AB類放大器效率最高只能達(dá)到50-70%，而典型的D類放大器與之相比，效率可達(dá)85%，尤其是在低功率輸出方面。更高效率意味著可以節(jié)省功率，并使產(chǎn)生的熱量較少。而更低的功率消耗及熱量能使你設(shè)計(jì)的系統(tǒng)更加可靠，電池使用時間更長。你可以發(fā)現(xiàn)D類放大器比AB類放大器能儲存更多的能量。即使是全功率或低功率輸出，效率方面也更為突出。

　　基本的D類放大器理論是給定的小模擬信號作為功率放大器的輸入。功率放大器內(nèi)部調(diào)制器將模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如脈寬調(diào)制(PWM)或脈沖編碼調(diào)制(PCM)(取決于器件采用何種調(diào)制方式)。但它仍然是一個微弱的數(shù)字信號。然后，橋接放大器將數(shù)字信號的振幅放大。為了將高幅度數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬輸出，還需要一個無源LC濾波器。圖1能說明更多細(xì)節(jié)，其中，紅色方框內(nèi)代表功放器件(芯片)部分。

圖3：典型的低通濾波器電路。

　　圖2是典型的PWM D類放大器結(jié)構(gòu)。藍(lán)色方框代表PWM轉(zhuǎn)換器(調(diào)制器)。紅色方框表示高功率放大器。放大器和揚(yáng)聲器之間的最終輸出級是無源低通濾波器(LPF)。D類放大器的低通濾波器必不可少。

　　圖3是典型的低通濾波器電路。功放和揚(yáng)聲器之間串聯(lián)兩個電感。當(dāng)功放工作時，大電流會流過這兩個電感。由于有大電流通過，因此要選擇大尺寸電感。但對于便攜式產(chǎn)品，PCB空間十分有限，不允許使用兩個大電感。除了兩個大電感之外，外部的三個電容也占用了PCB空間。

　　為了避免使用輸出濾波器，美國國家半導(dǎo)體(National Semiconductor)專門研制出了系列無濾波器D類放大器，為攻占這一市場提供了靈活性。其概念是采用一個移動的線圈揚(yáng)聲器作為變送器(transducer)。音頻放大器上的典型變送器負(fù)載相當(dāng)感性(感性負(fù)載)。因此，揚(yáng)聲器負(fù)載可擔(dān)當(dāng)作為其自身的濾波器。

　　美國國家半導(dǎo)體提供多款“無濾波器”D類放大器解決方案，如LM4666、LM4667、LM4670和LM4671等。下面列出的是這幾款放大器的主要特性或典型設(shè)計(jì)電路。

圖4：典型的LM4666應(yīng)用電路。

　　圖4所示為典型的LM4666應(yīng)用電路。LM4666是一款每聲道可輸出1.3W的高效率全面差分D類立體聲揚(yáng)聲器放大器，增益更可由用戶自行選擇(6-12dB)。這個單芯片的立體聲解決方案不但設(shè)計(jì)靈活，而且容易使用，由于增益可自行選擇，因此所需的零件可以減至最少，而電路板的板面空間也可盡量縮小，有助降低系統(tǒng)的整體成本。由于這款放大器芯片的能源效益極高，因此功耗較低，而芯片本身所耗散的熱能也較少，有助延長移動電話的電池壽命及通話時間。此外，由于LM4666也采用delta-sigma調(diào)制技術(shù)，因此可以抑制輸出噪音，減少總諧波失真(THD)，以這方面來說，確實(shí)比傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)D類放大器優(yōu)勝。

　　當(dāng)THD等于1%(Vdd=5V)時，LM4666能將每通道1.2W的輸出功率傳送給8歐揚(yáng)聲器。兩個內(nèi)部固定增益通過一個增益選擇引腳進(jìn)行控制，如6dB或12dB。LM4666具有低功耗關(guān)斷模式。封裝為micro-SMD及MSOP。當(dāng)電源電壓為3.3V時，能驅(qū)動4歐揚(yáng)聲器。

　　LM4667是一款全面集成的單電源、高效率開關(guān)音頻放大器。由于這款芯片設(shè)有創(chuàng)新的調(diào)制器，因此無需裝設(shè)一般開關(guān)放大器必須采用的輸出濾波器。LM4667采用delta-sigma調(diào)制技術(shù)處理模擬輸入信號，因此輸出噪音以至總諧波失真及噪音(THD+N)都比采用傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制器低。LM4667芯片是專為移動電話及其他便攜式通信設(shè)備而設(shè)計(jì)，務(wù)求能滿足這類電子設(shè)備的要求。這款芯片只采用一個3伏的電源供應(yīng)器，可以連續(xù)輸出平均約450mW的功率以驅(qū)動8W感性負(fù)載，而總諧波失真及噪音不會超過1%。這款芯片更可靈活利用2.7伏至5.5伏的電源供應(yīng)操作。

　　當(dāng)THD等于2%(Vdd=5V)時，LM4667能將1.3W的輸出功率傳送給8歐揚(yáng)聲器。兩個內(nèi)部固定增益通過一個增益選擇引腳進(jìn)行控制，如6dB或12dB。其外部元件非常少。LM4667具有低功耗關(guān)斷模式。封裝為micro-SMD及MSOP。當(dāng)電源電壓為3.3V時，能驅(qū)動4歐揚(yáng)聲器。

　　LM4670及LM4671都是全面集成的單電源供應(yīng)、高效率開關(guān)音頻放大器，LM4670可以提供3W的功率輸出，而LM4671的輸出功率則高達(dá)2.5W。這兩款放大器芯片都設(shè)有創(chuàng)新的調(diào)制電路，因此無需加設(shè)輸出濾波器，這個優(yōu)點(diǎn)是典型的開關(guān)放大器所沒有的。由于無需加設(shè)輸出濾波器，因此系統(tǒng)所需的外置元件便可以減少，有助精簡電路設(shè)計(jì)及縮小電路板面積。LM4670芯片利用delta-sigma調(diào)制技術(shù)處理輸入模擬信號，這個設(shè)計(jì)可減少輸出噪音及總諧波失真。LM4670放大器的特點(diǎn)是輸出功率較高，因此最適用于超高功率對講機(jī)、移動電話對講系統(tǒng)及免持聽筒等應(yīng)用。LM4671芯片可以利用PWM技術(shù)處理輸入模擬信號，因此輸出噪音較少，最適用于耳機(jī)/接收器、高功率振鈴及免持聽筒等音頻系統(tǒng)。

　　當(dāng)THD等于1%(Vdd=5V)時，LM4670單sigma-delta調(diào)制無濾波器D類音頻放大器能將2.3W傳送給4歐揚(yáng)聲器。器件增益可進(jìn)行外部配置，即可通過將信號累加的多種方式進(jìn)行獨(dú)立的增益控制。LM4670具有低功耗關(guān)斷模式。封裝為micro-SMD及LLP。

　　當(dāng)THD等于1%(Vdd=5V)時，LM4671單PWM調(diào)制無濾波器D類音頻放大器能將2.2W傳送給4歐揚(yáng)聲器。器件增益可進(jìn)行外部配置。LM4670具有低功耗關(guān)斷模式。封裝為micro-SMD。

無濾波器D類放大器的應(yīng)用設(shè)計(jì)技巧

　　功率放大器輸出中存在的攻擊性波形可能會對系統(tǒng)中的其它器件帶來幅射或影響，從而產(chǎn)生干擾。有必要保持輸出跡線較短(見圖5)，如果有可能的話，還要對其進(jìn)行很好地屏蔽。

　　以手機(jī)應(yīng)用為例。手機(jī)PCB設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)在于兩個方面：一是板面積小，二是有RF的電路。因?yàn)榭捎玫陌迕娣e有限，而又有數(shù)個不同特性的電路區(qū)域，如RF電路、電源電路、話音模擬電路、一般的數(shù)字電路等，它們都各有不同的設(shè)計(jì)需求。在這種情況下，好的布局必須防止射頻能量與電話中的基頻部分或音頻電路的音頻與功率跡線產(chǎn)生串?dāng)_。從布局方面考慮，我們不可以將功率放大器放在天線附近，因?yàn)樵谟须娫挀苋牖驌艹鰰r天線的輻射會與高功率輸出產(chǎn)生串?dāng)_。此外，所有的信號路徑必須通過接地層進(jìn)行屏蔽/隔離。使用接地層、磁珠和微帶設(shè)計(jì)技巧對于防止發(fā)生多余的干擾而言都非常有好處。

　　而隨著輸出功率提高，放大器、負(fù)載和電源之間的互連阻抗(PCB跡線和連線)會產(chǎn)生電壓降。放大器與負(fù)載之間的跡線上的電壓損耗會使輸出功率降低，效率下降。而電源與功率放大器之間過高的跡線阻抗也會導(dǎo)致同樣的結(jié)果，如電源供應(yīng)不穩(wěn)定、電源線紋波增加，以及峰值輸出功率下降。此外，由于輸出功率提高，輸出電流也隨之提高，殘余跡線阻抗也會升高。為了維持最高的輸出電壓擺幅和相應(yīng)的峰輸出功率，連接輸出引腳到負(fù)載引腳的PCB跡線應(yīng)該足夠?qū)挘瑥亩鴮③E線阻抗最小化。

作者：郭俊杰，亞太區(qū)音頻產(chǎn)品應(yīng)用工程師，美國國家半導(dǎo)體香港有限公司