多種技術破解電磁干擾難題 D類放大器市場前景看好

　　主持人 馮曉偉

　　特邀嘉賓

　　ADI公司便攜式音頻產品部市場經理 張揚

　　華潤矽威科技（上海）有限公司系統(tǒng)應用部經理　王新成

　　美國國家半導體亞太區(qū)市場經理 郭俊杰

　　美信集成產品公司中國區(qū)市場傳播及應用支持經理　魏智

　　恩智浦半導體多重市場產品部大中華區(qū)高級市場經理　張秋明

　　安森美半導體數字及消費產品部低壓電源管理產品市場經理　林欣欣

　　羅姆微電子集團模擬技術專家

　　德州儀器中國區(qū)高性能模擬產品業(yè)務開發(fā)經理　張洪為

　　編者按：隨著便攜式消費類產品日漸滲入生活的各個領域，模擬器件家族的重要成員—— D類放大器的應用日益廣泛。與其他類別的放大器相比，D類放大器的優(yōu)勢何在，發(fā)展前景如何？就技術而言，D類放大器應用了哪些關鍵技術，有哪些技術瓶頸尚待突破？模擬器件主流廠商在D類放大器領域各自的優(yōu)勢何在，其技術有何特色？針對這些問題，《中國電子報》邀請業(yè)內知名企業(yè)人士進行了探討。

　　效率優(yōu)勢明顯

　　●功耗低符合節(jié)能環(huán)保要求

　　●散熱少縮減電路板尺寸

　　張洪為　　A類放大器使用一只晶體管作為直流電流源，能夠提供揚聲器需要的最大音頻電流，其輸出級可以提供優(yōu)良的音質，但功耗非常大，因為通常有很大的直流偏置電流流過輸出級晶體管，而沒有提供給揚聲器。

　　B類放大器沒有直流偏置電流，所以功耗大大減少。其輸出晶體管是以推拉方式獨立控制，從而允許高端晶體管為揚聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負電流。由于只有信號電流流過晶體管，因而減少了輸出級功耗。但是B類放大器電路的音質較差，因為當輸出電流過零點和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時會造成線性誤差。

　　AB類放大器是A類放大器和B 類放大器的折中，它也使用直流偏置電流，但它遠小于單純的A類放大器。小的直流偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質，其功耗介于A類放大器和 B類放大器之間，也需要一些控制電路以使其提供或吸收大的輸出電流。遺憾的是，即使是精心設計AB類放大器也有很大的功耗。

　　D類放大器由于具有不同的拓撲結構，其功耗遠小于上述任何一類放大器。D類放大器的輸出級在正電源和負電源之間切換從而產生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因為當輸出晶體管在不導通時具有零電流，并且在導通時具有很低的電壓，因而功耗較低。

　　魏 智大多數音頻系統(tǒng)設計工程師都非常清楚，D類放大器與線性音頻放大器相比，在功效上有相當的優(yōu)勢。對于線性放大器來說，偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會損耗大量功率。因為D類放大器的晶體管只是作為開關使用的，用來控制流過負載的電流方向，所以輸出級的功耗極低。D類放大器的功耗主要來自輸出晶體管導通阻抗、開關損耗和靜態(tài)電流開銷，放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類放大器對散熱器的要求大為降低，甚至可省掉散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應用。

　　過去，基于PWM（脈寬調制）方式的典型D類放大器需要外部濾波元件，會產生 EMI（電磁干擾）問題，并且“THD+N”（總諧波失真+噪聲）性能較差，因此與線性放大器相比，它的高效優(yōu)勢大為失色。然而，最新一代的D類放大器采用先進的調制和反饋技術，可很好地緩解上述難題。

　　張秋明　　與AB類放大器相比，D類放大器最大的優(yōu)點是效率高：一般AB類放大器的效率不超過40%，而D類放大器通常可以達到80%以上，最高可以超過90%.由于其高效率，D類放大器體積可以做得很小，便于采用較小的封裝，在中小功率產品中，基本上不需要外加散熱器。

　　目前同等功率的D類放大器單顆芯片價格要比AB類貴，但是由于不需要散熱片，在一些大功率應用比如組合音響、家庭影院上，D類和AB類總成本比較接近。另外，采用D類放大器還可以節(jié)省電源成本和能源消耗，符合節(jié)能環(huán)保趨勢。

　　林欣欣　　D類放大器的開關結構是比AB類放大器更優(yōu)勝的地方，但這也造就了它的缺點，即EMI的問題。人耳的聽力范圍介于200Hz至20kHz之間，D類放大器PWM信號的開關頻率一般要高于這個范圍，因此終端用戶聽不到PWM頻率噪聲。但是，當開關信號及其高頻諧波被傳播至PCB（印制電路板）上時，它可能與系統(tǒng)中的射頻（RF）電路產生干擾。所以為了盡量減少任何潛在EMI問題所帶來的影響，必須審慎地進行EMI濾波和做好布線預防措施。

　　通常來講，D類放大器的“總諧波失真+噪聲”額定值低于0.1%，而AB類通常低于0.01%.但對大多數擴音器應用而言，D類放大器的輸出聲音質量都可接受。只不過在頭戴式耳機應用中，由于音頻輸出接近人耳，需要高保真的音頻質量，所以，AB類放大器仍是設計的首選。

　　D類放大器調制音頻信號采用的是PWM信號，而PWM信號是由電源電壓進行偏置。D類放大器的額定電源抑制比（PSRR）可用于衡量這類放大器由電源電壓波動產生失真的程度。設計人員應選具有較佳PSRR的D類放大器。

　　王新成　　AB類放大器采用了運算放大器的結構，由誤差校正、電壓放大和電流放大三部分組成，使用的全部是線性器件。D類放大器是由三角波產生器、積分器、比較器和電流開關組成，使用的是脈沖數字電路，幾乎全部是非線性器件。AB類放大器具有良好的性能指標和更好的音質。D類放大器有很高的效率和明快的中高音，但存在EMI問題。D類放大器更適合于便攜式電子產品、平板電視和有源音箱。但目前由于價格高于AB類放大器，應用沒有AB類廣泛。

　　羅姆專家以前的揚聲器放大器以AB類為代表的模擬方式為主流產品。此方式中，電源功率大部分提供給內部電路的偏置，以使輸出三極管工作在線性區(qū)域，因此功率損失較大，從而產生較大的發(fā)熱量（無用的能量）。因此，在成品當中，作為高發(fā)熱量的對策，都必須采用大型散熱片或散熱風扇。針對這種現象，D類放大器中給揚聲器負載提供電流的輸出三極管工作于開關狀態(tài)，功率損失非常小，因此，D類放大器具有發(fā)熱量小的顯著優(yōu)點。

　　張 揚　 能夠使用線性放大器的任何場合都可以使用D類放大器。不過，D類放大器功耗更低，產生的熱量更少，不僅能夠減小電路板尺寸，降低成本，并能延長便攜式系統(tǒng)的電池壽命，因此，在應用中具有明顯優(yōu)勢。

　　D類放大器采用了最新的技術，成本比線性放大器略高，但其價格正在下降。由于D類放大器功耗較低，因此省去了與散熱器、風扇或其他冷卻設備相關的成本（與空間）。此外，當利用數字信號源進行驅動時，線性放大器需要數模轉換器（DAC）將數字音頻信號轉換為模擬格式，而數字輸入的D類放大器有效集成了DAC功能，進一步減小了成本與PCB面積。

　　應用領域逐漸拓寬

　　●便攜式產品應用盡顯優(yōu)勢

　　●平板電視領域前景看好

　　郭俊杰 D類放大器屬于揚聲器專用的放大器，其典型應用領域是音樂手機等便攜式多媒體設備，此外還有汽車音頻系統(tǒng)、數字電視、超便攜電腦（UMPC）以及剛剛興起的MID（移動互聯網設備）等。

　　林欣欣　　近年來，在延長電池工作時間和音樂播放時間等市場需求的帶動下，手機已經從采用AB類放大器轉向D類放大器。目前仍有一大部分的手機采用AB類放大器作為揚聲器放大器，尤其是那些揚聲器主要用作鈴聲的手機，放大器所消耗的電流極小，且持續(xù)時間短。在這類手機中，D類放大器可能沒有太多的優(yōu)勢。但對其他有免提揚聲器、MP3播放器、流視頻和移動電視等諸多音頻播放功能的手機來說，D類放大器能夠延長電池工作時間，優(yōu)勢不言而喻。近年來，中國的音頻設計人員已具備較高的系統(tǒng)設計技術水平，能夠采用D類放大器進行“無噪聲”設計。

　　由于D類放大器需要的散熱面積較小，它將有助于減小散熱片尺寸，幫助實現小巧纖薄的音頻終端設計。在液晶電視和筆記本電腦等應用中，產品的厚度是決定消費者選擇的關鍵因素之一，這使得D類放大器在這些領域的應用前景被看好。

　　王新成　　D類放大器在手機、家電、PC等領域的應用情況沒有半導體廠商預料的好，主要原因是售價比AB類放大器高50%甚至幾倍，還要在系統(tǒng)設計上花費成本和時間解決EMI.但D類放大器的能耗只是AB類的43%，節(jié)能特性決定了它未來的美好前景。

　　D類放大器本質上是一個DC-DC（直流-直流）轉換器，只不過參考信號不是基準電壓，而是變化的音頻信號。因而只要有足夠的輸出功率，D類放大器可用于開關電源和馬達驅動。但這種用法并不是科學合理的解決方案，因為在這些領域具有更優(yōu)化的器件可用。

　　魏智　　當前，針對絕大多數應用都可以選擇適當的D類放大器。這些應用包括低功耗便攜式應用（如蜂窩電話和筆記本電腦），電池壽命、電路板空間和EMI兼容性要求在這類應用中至關重要；此外，還包括大功率應用（如車載音響系統(tǒng)或平板顯示器），最大限度降低散熱需求和發(fā)熱量在這類應用中必不可少。對D類放大器及其最新的技術發(fā)展有一個基本理解，將有助于設計者為具體應用選擇合適的放大器，并正確權衡某些功能特性的優(yōu)勢和劣勢。

　　羅姆專家　　電視機正快速向大屏幕、薄型化方向發(fā)展，對D類放大器的小型、薄型化以及高效率、低發(fā)熱特性提出日益嚴格的要求。此外，對于今后的產品特性，伴隨音頻信號的數字化要求，需要針對受限于產品尺寸配置的小揚聲器，必須帶有音頻特性修正的均衡器功能，以及可以使用液晶面板的24V背光電源直接驅動的高耐壓性能。羅姆電子正對應這些需求進行產品線的擴充。

　　越來越多的手機具有音樂、視頻播放等多種功能。最重要的要求是電池的持續(xù)使用時間要延長，所以，對高效率、低功耗的D類放大器的需求今后會迅速擴大。D類放大器具有功率損失小、發(fā)熱量少的特點，因此電機驅動器、逆變器等都可以采用。

　　張秋明　　D類放大器在手機應用上已經非常成熟，估計近1/3的手機已使用D類放大器。在平板電視中，32英寸以上的電視，基本上都采用了D類放大器。在組合音響、iPod音箱中，D類放大器的應用也越來越普遍。此外，在馬達控制領域，D類放大器也有少量應用。