D類音頻放大器設(shè)計：概念、原理和方法(下)

摘要： 本文詳細(xì)闡述了D類音頻放大器技術(shù)及其設(shè)計要素，并介紹了ADI公司的D類放大器的產(chǎn)品特點。

關(guān)鍵詞： D類放大器；輸出級功率；輸出晶體管；EMI；LC濾波器

音質(zhì)

在D類放大器中，要獲得好的總體音質(zhì)必須解決幾個問題。

“卡搭”聲：當(dāng)放大器導(dǎo)通或斷開時發(fā)出的卡搭聲非常討厭。但不幸的是，它們易于引入到D類放大器中，除非當(dāng)放大器靜噪或非靜噪時特別注意調(diào)制器狀態(tài)、輸出級時序和LC濾波器狀態(tài)。

信噪比(SNR):為了避免放大器本底噪聲產(chǎn)生的嘶嘶聲，對于便攜式應(yīng)用的低功率放大器，SNR通常應(yīng)當(dāng)超過90 dB，對于中等功率設(shè)計SNR應(yīng)當(dāng)超過100 dB，對于大功率設(shè)計應(yīng)當(dāng)超過110 dB。這對于各種放大器是可以達(dá)到的，但在放大器設(shè)計期間必須跟蹤具體的噪聲源以保證達(dá)到滿意的總體SNR。

失真機理: 失真機理包括調(diào)制技術(shù)或調(diào)制器實現(xiàn)中的非線性，以及為了解決沖擊電流問題輸出級所采用的死區(qū)時間。

在D類調(diào)制器輸出脈寬中通常對包含音頻信號幅度的信息進(jìn)行編碼。用于防止輸出級沖擊電流附加的死區(qū)時間會引入非線性時序誤差，它在揚聲器產(chǎn)生的失真與相對于理想脈沖寬度的時序誤差成正比。用于避免沖擊最短的死區(qū)時間對于將失真減至最小經(jīng)常是最有利的；欲了解優(yōu)化開關(guān)輸出級失真性能的詳細(xì)設(shè)計方法請參看深入閱讀資料2。

其它失真源包括：輸出脈沖上升時間和下降時間的不匹配，輸出晶體管柵極驅(qū)動電路時序特性的不匹配，以及LC低通濾波器元器件的非線性。

電源抑制 (PSR): 在圖2所示的電路中，電源噪聲幾乎直接耦合到輸出揚聲器，具有很小的抑制作用。發(fā)生這種情況是因為輸出級晶體管通過一個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，但所有音頻頻率都會通過，包括音頻噪聲。關(guān)于對單端和差分開關(guān)輸出級電路電源噪聲影響的詳細(xì)說明請參看深入閱讀材料3。

如果不解決失真問題和電源問題，就很難達(dá)到PSR優(yōu)于10 dB，或總諧波失真(THD)優(yōu)于0.1%。甚至更壞的情況，THD趨向于有害音質(zhì)的高階失真。

幸運的是，有一些好的解決方案來解決這些問題。使用具有高環(huán)路增益的反饋(正如在許多線性放大器設(shè)計中所采用的)幫助很大。LC濾波器輸入的反饋會大大提高PSR并且衰減所有非LC濾波器失真源。LC濾波器非線性可通過在反饋環(huán)路中包括的揚聲器進(jìn)行衰減。在精心設(shè)計的閉環(huán)D類放大器中，可以達(dá)到PSR > 60 dB和THD < 0.01%的高保真音質(zhì)。

但反饋使得放大器的設(shè)計變得復(fù)雜，因為必須滿足環(huán)路的穩(wěn)定性(對于高階設(shè)計是一種很復(fù)雜的考慮)。連續(xù)時間模擬反饋對于捕獲有關(guān)脈沖時序誤差的重要信息也是必需的，因此控制環(huán)路必須包括模擬電路以處理反饋信號。在集成電路放大器實現(xiàn)中，這會增加管芯成本。

為了將IC成本減至最低，一些制造商喜歡不使用或使用最少的模擬電路部分。有些產(chǎn)品用一個數(shù)字開環(huán)調(diào)制器和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器來檢測電源變化，并且用調(diào)整調(diào)制器進(jìn)行補償，這可以參看深入閱讀資料3。這樣可以改善PSR，但不會解決任何失真問題。其它的數(shù)字調(diào)制器試圖對預(yù)期的輸出級時序誤差進(jìn)行預(yù)補償，或?qū)Ψ抢硐氲恼{(diào)制器進(jìn)行校正。這樣至少會處理一部分失真源，但不是全部。對于音質(zhì)要求寬松的應(yīng)用，可通過這些開環(huán)D類放大器進(jìn)行處理，但對于最佳音質(zhì)，有些形式的反饋似乎是必需的。

調(diào)制技術(shù)

D類放大器調(diào)制器可以有多種方法實現(xiàn)，擁有大量的相關(guān)研究和知識產(chǎn)權(quán)支持。限于篇幅，在此從略。

EMI處理

D類放大器輸出的高頻分量值得認(rèn)真考慮。如果不正確理解和處理，這些分量會產(chǎn)生大量EMI并且干擾其它設(shè)備的工作。

兩種EMI需要考慮：輻射到空間的信號和通過揚聲器及電源線傳導(dǎo)的信號。D類放大器調(diào)制方案決定傳導(dǎo)EMI和輻射EMI分量的基線譜。但是，可以使用一些板級的設(shè)計方法減少D類放大器發(fā)射的EMI，而不管其基線譜如何。

一條有用的原則是將承載高頻電流的環(huán)路面積減至最小，因為與EMI相關(guān)的強度與環(huán)路面積及環(huán)路與其它電路的接近程度有關(guān)。例如，整個LC濾波器(包括揚聲器接線)的布局應(yīng)盡可能地緊密，并且保持靠近放大器。電流驅(qū)動和回路印制線應(yīng)當(dāng)集中在一起以將環(huán)路面積減至最小(揚聲器使用雙絞線對接線很有幫助)。另一個要注意的地方是當(dāng)輸出級晶體管柵極電容開關(guān)時會產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。通常這個電荷來自儲能電容，從而形成一個包含兩個電容的電流環(huán)路。通過將環(huán)路面積減至最小可降低環(huán)路中瞬態(tài)的EMI影響，意味著儲能電容應(yīng)盡可能靠近晶體管對它充電。

有時，插入與放大器電源串聯(lián)的RF厄流線圈很有幫助。正確布置它們可將高頻瞬態(tài)電流限制在靠近放大器的本地環(huán)路內(nèi)，而不會沿電源線長距離傳導(dǎo)。

如果柵極驅(qū)動非重疊時間非常長，揚聲器或LC濾波器的感應(yīng)電流會正向偏置輸出級晶體管端的寄生二極管。當(dāng)非重疊時間結(jié)束時，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪?。在二極管完全斷開之前，會出現(xiàn)大的反向恢復(fù)電流尖峰，從而產(chǎn)生麻煩的EMI源。通過保持非重疊時間非常短(還建議將音頻失真減至最小)使EMI減至最小。如果反向恢復(fù)方案仍不可接受，可使用肖特基(Schottky)二極管與該晶體管的寄生二極管并聯(lián)，以轉(zhuǎn)移電流并且防止寄生二極管一直導(dǎo)通。這很有幫助，因為Schottky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)形電感器磁芯的LC濾波器可將放大器電流導(dǎo)致的雜散現(xiàn)場輸電線影響減至最小。在成本和EMI性能之間的一種好的折衷方法是通過屏蔽減小來自低成本鼓形磁芯的輻射。

LC濾波器設(shè)計

為了節(jié)省成本和PCB面積，大多數(shù)D類放大器的LC濾波器采用二階低通設(shè)計。圖3示出一個差分式二階LC濾波器。揚聲器用于減弱電路的固有諧振。盡管揚聲器阻抗有時近似于簡單的電阻，但實際阻抗比較復(fù)雜并且可能包括顯著的無功分量。要獲得最佳濾波器設(shè)計效果，設(shè)計工程師應(yīng)當(dāng)總是爭取使用精確的揚聲器模型。

常見的濾波器設(shè)計選擇目的是為了在所需要的最高音頻頻率條件下將濾波器響應(yīng)下降減至最小以獲得最低帶寬。如果對于高達(dá)20 kHz頻率，要求下降小于1 dB，則要求典型的濾波器具有40 kHz巴特沃斯(Butterworth)響應(yīng)(以達(dá)到最大平坦通帶)。對于常見的揚聲器阻抗以及標(biāo)準(zhǔn)的L值和C值，表1給出了標(biāo)稱元器件值及其相應(yīng)的近似Butterworth響應(yīng)。

表1

如果設(shè)計不包括揚聲器反饋，揚聲器THD會對LC濾波器元器件的線性度敏感。

電感器設(shè)計考慮因素：設(shè)計或選擇電感器的重要因素包括磁芯的額定電流和形狀，以及繞線電阻。

額定電流：選用磁芯的額定電流應(yīng)當(dāng)大于期望的放大器的最高電流。原因是如果電流超過額定電流閾值并且電流密度太高，許多電感器磁芯會發(fā)生磁性飽和，導(dǎo)致電感急劇減小，這是我們所不期望的。

通過在磁芯周圍繞線而形成電感。如果繞線匝數(shù)很多，與總繞線長度相關(guān)的電阻很重要。由于該電阻串聯(lián)于半橋和揚聲器之間，因而會消耗一些輸出功率。如果電阻太高，應(yīng)當(dāng)使用較粗的繞線或選用要求繞線匝數(shù)較少的其它金屬材質(zhì)的磁芯，用以提供需要的電感。

最后，不要忘記所使用的電感器的形狀也會影響EMI，正如上面所提到的。

系統(tǒng)成本

在使用D類放大器的音頻系統(tǒng)中，有哪些重要因素影響其總體成本? 我們怎樣才能將成本減至最低?

D類放大器的有源器件是開關(guān)輸出級和調(diào)制器。構(gòu)成該電路的成本大致與模擬線性放大器相同。真正需要考慮的折衷是系統(tǒng)的其它元器件。

D類放大器的低功耗節(jié)省了散熱裝置的成本(以及PCB面積)，例如，散熱片或風(fēng)扇。D類集成電路放大器可采用比模擬線性放大器尺寸小和成本低的封裝。當(dāng)驅(qū)動數(shù)字音頻源時，模擬線性放大器需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。對于處理模擬輸入的D類放大器也需如此轉(zhuǎn)換，但對于數(shù)字輸入的D類放大器有效地集成了DAC功能。

另一方面，D類放大器的主要成本缺點是LC濾波器。LC濾波器的元器件，尤其是電感器，占用PCB面積并且增加成本。在大功率放大器中，D類放大器的總體系統(tǒng)成本仍具有競爭力，因為在散熱裝置節(jié)省的大量成本可以抵消LC濾波器的成本。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。在極個別情況下，例如，用于蜂窩電話的低成本放大器，放大器IC的成本可能比LC濾波器的總成本還要低。即使是忽略成本方面的考慮，LC濾波器占用的PCB面積也是小型應(yīng)用中的一個問題。

為了滿足這些考慮，有時會完全取消LC濾波器，以采用無濾波放大器設(shè)計。這樣可節(jié)省成本和PCB面積，雖然失去了低通濾波器的好處。如果沒有濾波器，EMI和高頻功耗的增加將會不可接受，除非揚聲器采用電感式并且非?？拷糯笃?，電流環(huán)路面積最小，而且功率水平保持很低。盡管這種設(shè)計在便攜式應(yīng)用中經(jīng)常采用，例如，蜂窩電話，但不適合大功率系統(tǒng)，例如，家庭音響。

另一種方法是將每個音頻通道所需要的LC濾波器元器件數(shù)減至最少。這可以通過使用單端半橋輸出級實現(xiàn)，它需要的電感器和電容器數(shù)量是差分全橋電路的一半。但如果半橋輸出級需要雙極性電源，那么與產(chǎn)生負(fù)電源相關(guān)的成本可能就會過高，除非負(fù)電源已經(jīng)有一些其它目的，或放大器有足夠多的音頻通道，以分?jǐn)傌?fù)電源成本。另外，半橋也可從單電源供電，但這樣會降低輸出功率并且經(jīng)常需要使用一個大的隔直流電容器。

ADI公司D類放大器

剛才討論的所有設(shè)計問題可以歸結(jié)到一個要求相當(dāng)嚴(yán)格的項目。為了節(jié)省設(shè)計工程師的時間，ADI公司提供各種D類放大器IC，它們含有可編程增益放大器、調(diào)制器和功率輸出級。為了簡化評估，ADI公司為每種類型的放大器提供了演示板。這些演示板的PCB布線和材料清單可以作為切實可行的參考設(shè)計，從而幫助客戶迅速設(shè)計經(jīng)過驗證、經(jīng)濟有效的音頻系統(tǒng)而無須為解決D類放大器主要設(shè)計問題做“重復(fù)性的工作”。

例如，可以考慮使用AD19902，AD19923，AD19944和AD199655雙放大器IC系列產(chǎn)品，它們適合要求兩個通道每通道輸出達(dá)到5，10，25和40 W的中等功率的立體聲或單聲道應(yīng)用。

致謝ADI公司Art Kalb先生和Rajeev Morajkar先生對本文的有益建議。

深入閱讀資料
1. International Rectifier, Application Note AN-978, “HV Floating   MOS-Gate Driver ICs.”
2. Nyboe, F., et al, “Time Domain Analysis of Open-Loop   Distortion in Class D Amplifier Output Stages,” presented at the  AES 27th International Conference, Copenhagen, Denmark,  September 2005.
3. Zhang, L., et al, “Real-Time Power Supply Compensation for   Noise-Shaped Class D Amplifier,” Presented at the 117th AES  Convention, San Francisco, CA, October 2004.
4. Nielsen, K., “A Review and Comparison of Pulse-Width  Modulation (PWM) Methods for Analog and Digital Input  Switching Power Amplifiers,” Presented at the 102nd AES  Convention, Munich, Germany, March 1997.
5. Putzeys, B., “Simple Self-Oscillating Class D Amplifier with  Full Output Filter Control,” Presented at the 118th AES  Convention, Barcelona, Spain, May 2005.
6. Gaalaas, E., et al, “Integrated Stereo Delta-Sigma Class D  Amplifier,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 12, December  2005, pp. 2388-2397. About the AD199x Modulator.
7. Morrow, P., et al, “A 20-W Stereo Class D Audio Output Stage  in 0.6 mm BCDMOS Technology,” IEEE J. Solid-State Circuits,  vol. 39, no. 11, November 2004, pp. 1948-1958. About the  AD199x Switching Output Stage.
8. PWM and Class-D Amplifiers with ADSP-BF535 Blackfin(r)  Processors, Analog Devices Engineer-to-Engineer Note EE-242.
ADI website: www.analog.com (Search) EE-242 (Go)

在線參考文獻(xiàn)-從2006年6月開始有效
1. http://www.analog.com/en/content/0,2886,759_5F1075_  5F57704,00.html
2. ADI website: www.analog.com (Search) AD1990 (Go)
3. ADI website: www.analog.com (Search) AD1992 (Go)
4. ADI website: www.analog.com (Search) AD1994 (Go)
5. ADI website: www.analog.com (Search) AD1996 (Go)