新型無(wú)濾波器D類(lèi)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(zhǎng)電池使用時(shí)間的挑戰(zhàn)。在這方面，由于比AB類(lèi)放大器具備更高的效率，D類(lèi)放大器備受矚目，特別是無(wú)濾波器D類(lèi)放大器為工程師在設(shè)計(jì)便攜產(chǎn)品時(shí)提供了更大的靈活性。

圖1：典型的D類(lèi)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(gè)問(wèn)題。因此，這些便攜式產(chǎn)品所采用的電池也遇到使用時(shí)間縮短的難題。某些情況下，用戶(hù)會(huì)用免提(揚(yáng)聲器模式)播放電影或音樂(lè)。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(guò)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(wú)法完全克服電池使用時(shí)間縮短的問(wèn)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(gè)焦點(diǎn)。其中，D類(lèi)放大器具有比AB類(lèi)放大器更高的效率。大家知道，典型的AB類(lèi)放大器效率最高只能達(dá)到50-70%，而典型的D類(lèi)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(shí)間更長(zhǎng)。你可以發(fā)現(xiàn)D類(lèi)放大器比AB類(lèi)放大器能儲(chǔ)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(lèi)放大器理論是給定的小模擬信號(hào)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(hào)，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(gè)微弱的數(shù)字信號(hào)。然后，橋接放大器將數(shù)字信號(hào)的振幅放大。為了將高幅度數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬輸出，還需要一個(gè)無(wú)源LC濾波器。圖1能說(shuō)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(lèi)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(jí)是無(wú)源低通濾波器(LPF)。D類(lèi)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(gè)電感。當(dāng)功放工作時(shí)，大電流會(huì)流過(guò)這兩個(gè)電感。由于有大電流通過(guò)，因此要選擇大尺寸電感。但對(duì)于便攜式產(chǎn)品，PCB空間十分有限，不允許使用兩個(gè)大電感。除了兩個(gè)大電感之外，外部的三個(gè)電容也占用了PCB空間。

　　為了避免使用輸出濾波器，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(National Semiconductor)專(zhuān)門(mén)研制出了系列無(wú)濾波器D類(lèi)放大器，為攻占這一市場(chǎng)提供了靈活性。其概念是采用一個(gè)移動(dòng)的線(xiàn)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體提供多款“無(wú)濾波器”D類(lèi)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(lèi)立體聲揚(yáng)聲器放大器，增益更可由用戶(hù)自行選擇(6-12dB)。這個(gè)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(zhǎng)移動(dòng)電話(huà)的電池壽命及通話(huà)時(shí)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(lái)說(shuō)，確實(shí)比傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)D類(lèi)放大器優(yōu)勝。

　　當(dāng)THD等于1%(Vdd=5V)時(shí)，LM4666能將每通道1.2W的輸出功率傳送給8歐揚(yáng)聲器。兩個(gè)內(nèi)部固定增益通過(guò)一個(gè)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(shí)，能驅(qū)動(dòng)4歐揚(yáng)聲器。

　　LM4667是一款全面集成的單電源、高效率開(kāi)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(wú)需裝設(shè)一般開(kāi)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(hào)，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(zhuān)為移動(dòng)電話(huà)及其他便攜式通信設(shè)備而設(shè)計(jì)，務(wù)求能滿(mǎn)足這類(lèi)電子設(shè)備的要求。這款芯片只采用一個(gè)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(dòng)8W感性負(fù)載，而總諧波失真及噪音不會(huì)超過(guò)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(shí)，LM4667能將1.3W的輸出功率傳送給8歐揚(yáng)聲器。兩個(gè)內(nèi)部固定增益通過(guò)一個(gè)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(shí)，能驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(wú)需加設(shè)輸出濾波器，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是典型的開(kāi)關(guān)放大器所沒(méi)有的。由于無(wú)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(jiǎn)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(hào)，這個(gè)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(duì)講機(jī)、移動(dòng)電話(huà)對(duì)講系統(tǒng)及免持聽(tīng)筒等應(yīng)用。LM4671芯片可以利用PWM技術(shù)處理輸入模擬信號(hào)，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(tīng)筒等音頻系統(tǒng)。

　　當(dāng)THD等于1%(Vdd=5V)時(shí)，LM4670單sigma-delta調(diào)制無(wú)濾波器D類(lèi)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(guò)將信號(hào)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(shí)，LM4671單PWM調(diào)制無(wú)濾波器D類(lèi)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(wú)濾波器D類(lèi)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(huì)對(duì)系統(tǒng)中的其它器件帶來(lái)幅射或影響，從而產(chǎn)生干擾。有必要保持輸出跡線(xiàn)較短(見(jiàn)圖5)，如果有可能的話(huà)，還要對(duì)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(gè)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(gè)不同特性的電路區(qū)域，如RF電路、電源電路、話(huà)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(huà)中的基頻部分或音頻電路的音頻與功率跡線(xiàn)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(xiàn)附近，因?yàn)樵谟须娫?huà)撥入或撥出時(shí)天線(xiàn)的輻射會(huì)與高功率輸出產(chǎn)生串?dāng)_。此外，所有的信號(hào)路徑必須通過(guò)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(duì)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(xiàn)和連線(xiàn))會(huì)產(chǎn)生電壓降。放大器與負(fù)載之間的跡線(xiàn)上的電壓損耗會(huì)使輸出功率降低，效率下降。而電源與功率放大器之間過(guò)高的跡線(xiàn)阻抗也會(huì)導(dǎo)致同樣的結(jié)果，如電源供應(yīng)不穩(wěn)定、電源線(xiàn)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(xiàn)阻抗也會(huì)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(xiàn)應(yīng)該足夠?qū)?，從而將跡線(xiàn)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體香港有限公司