- D類放大器解決方案
- D類放大器的電源設(shè)計(jì)
- 要用截止頻率略高于音頻頻帶的低通濾波消除雜波
- 用鐵氧體磁珠來(lái)產(chǎn)生少量附加的電感
在手持應(yīng)用中，D類放大器的低功耗允許設(shè)計(jì)師可在保持很長(zhǎng)電池充電間隔的同時(shí)提供很高的音頻質(zhì)量。對(duì)所有個(gè)人通信和音響設(shè)備來(lái)說(shuō)，電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)。對(duì)于市電供電設(shè)備(如A/V視聽產(chǎn)品和游戲機(jī))，D類放大器的高功效可帶來(lái)更低的散熱量。從而使設(shè)計(jì)師可以采用更小的散熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)潔的外形、更低的材料和組裝成本。事實(shí)上，精心設(shè)計(jì)的電源可以使每通道輸出功率高達(dá)幾瓦的應(yīng)用無(wú)須散熱片。
D類放大器解決方案
D類放大器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個(gè)脈寬調(diào)制器、一個(gè)功率橋輸出電路和一個(gè)低通濾波器。目前，市場(chǎng)上的D類放大器可以幫助用戶節(jié)省很多設(shè)計(jì)工作，如屏蔽放大器開關(guān)操作所產(chǎn)生的電磁干擾和選擇最合適的開關(guān)頻率。提高開關(guān)頻率可以降低輸出濾波要求，但會(huì)因MOSFET柵極電容而導(dǎo)致更大的功率損失。因此，開關(guān)頻率選擇要求在外部元件數(shù)量和功率轉(zhuǎn)換效率之間做一個(gè)平衡。功率橋的設(shè)計(jì)取決于所期望的D類放大器的輸出功率。
例如，目前市場(chǎng)上已有D類耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器和D類揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器，這些不同配置的一個(gè)關(guān)鍵不同是輸出級(jí)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)用于揚(yáng)聲器的D類放大器能夠產(chǎn)生小于1瓦到幾瓦的輸出功率，且無(wú)須散熱片。這些IC為許多消費(fèi)類應(yīng)用提供了單芯片解決方案，從便攜式多媒體播放器到游戲機(jī)和一些LCD-TV。在大多數(shù)這些應(yīng)用，特別是手持產(chǎn)品中，單芯片解決方案是至關(guān)重要的。
不過(guò)，對(duì)于非常高的輸出功率，一個(gè)D類放大器可以結(jié)合一個(gè)采用音頻功率MOSFET構(gòu)建的外部輸出級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該D類放大器必須提供一個(gè)合適的預(yù)放大器，所選的分立MOSFET必須是針對(duì)數(shù)字音頻操作而優(yōu)化的。
濾波
D類MOSFETH橋的輸出是一個(gè)代表音頻信號(hào)的方波。開關(guān)頻率元件必須被衰減，以防止干擾和確保最終產(chǎn)品通過(guò)電磁兼容(EMC)認(rèn)證。這要求一個(gè)截止頻率略高于音頻頻帶的低通濾波。因此，開關(guān)頻率越高，這些元件的衰減就越大。這允許采用尺寸更小的外部濾波元件。
另一方面，MOSFET上的損耗會(huì)隨著開關(guān)頻率的提高而增加，從而降低效率，并導(dǎo)致更大的功耗和帶來(lái)相關(guān)的熱管理問(wèn)題。特別是，在MOSFET柵極電容上產(chǎn)生的開關(guān)損耗，會(huì)隨著工作頻率的提高而線性增加。因此，通常認(rèn)定D類放大器輸出級(jí)的設(shè)計(jì)要具有低損耗的MOSFET，并正確設(shè)置了開關(guān)頻率，以滿足電磁干擾(EMI)的特定要求。
用無(wú)濾波器的D類放大器連接到揚(yáng)聲器(如手機(jī)揚(yáng)聲器)，對(duì)于尺寸和成本都很敏感的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)D類放大器輸出靠近揚(yáng)聲器時(shí)，揚(yáng)聲器線圈的寄生電阻和電感可組成一個(gè)適當(dāng)?shù)腖R低通濾波器?？捎糜跓o(wú)濾波器配置的D類放大器的一個(gè)例子是歐勝的WM8960。如果D類放大器輸出與揚(yáng)聲器的距離比較遠(yuǎn)，那么需要用一個(gè)鐵氧體磁珠來(lái)產(chǎn)生少量附加的電感，以改善EMC性能。
電源設(shè)計(jì)
與線性A/B類放大器相比，采用D類放大器的設(shè)計(jì)師還必須更密切注意電源性能對(duì)音頻輸出質(zhì)量的影響。因?yàn)镈類輸出是一個(gè)開關(guān)級(jí)，將電源軌直接有效地連接到音頻輸出后，電源上的音頻頻帶波動(dòng)將直接調(diào)制輸出信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)師必須確保音頻頻帶上的高負(fù)載調(diào)節(jié)，或采取措施消除市電或音頻帶紋波的影響。
許多制造商提供浮動(dòng)穩(wěn)壓器，必要時(shí)它可以添加到現(xiàn)有的電源中，以改善負(fù)載調(diào)節(jié)。對(duì)每個(gè)放大器輸出采用一個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓器，具有減少音頻通道之間串?dāng)_的附加優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，一個(gè)額外的穩(wěn)壓器或一對(duì)穩(wěn)壓器增加了總的實(shí)現(xiàn)成本。此外，穩(wěn)壓器功耗降低了效率增益，而效率增益是采用D類放大器的一個(gè)關(guān)鍵理由。
此外，提高放大器的電源抑制比(PSRR)，降低了負(fù)載調(diào)節(jié)對(duì)音頻輸出信號(hào)的影響。添加PWM輸出到模擬音頻輸入的反饋通過(guò)補(bǔ)償電源電壓的變化提高了PSRR。這可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)80dB左右的PSRR，這已經(jīng)非常接近便攜式應(yīng)用使用的差分AB類放大器的PSRR。不過(guò)，如果D類放大器輸入信號(hào)是純粹的數(shù)字音頻，那么這一技術(shù)不適用。全數(shù)字D類放大器的PSRR是0分貝，而且設(shè)計(jì)師必須確保電源電壓的小偏差調(diào)節(jié)。
電源的瞬態(tài)性能也應(yīng)當(dāng)考慮。為了精確地再現(xiàn)PWM波形，電源必須能夠?qū)ν蝗缙鋪?lái)的電流變化迅速反應(yīng)。線性放大器在這方面的要求不高，因?yàn)檩敵黾?jí)的帶寬局限于音頻范圍。對(duì)于一個(gè)針對(duì)D類放大器設(shè)計(jì)的電源來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致糟糕瞬態(tài)響應(yīng)的音頻帶外電壓波動(dòng)，將調(diào)制PWM信號(hào)，從而引入在音頻輸出端可聽得見的諧波失真。
一個(gè)有幫助的技術(shù)是安置不同輸出級(jí)的MOSFET在不同的開關(guān)中，這可減少峰值電源電流。例如，歐勝5～7.1聲道數(shù)字功放控制器WM8608，具有一個(gè)內(nèi)嵌的‘PWM輸出相’功能，它可在每個(gè)輸出聲道的PWM信號(hào)之間引入160ns的延遲，這樣就具有PWM周期內(nèi)分散開關(guān)瞬態(tài)電流的效果。在一個(gè)6聲道的多聲道系統(tǒng)中，這一技術(shù)可大幅降低最大瞬態(tài)負(fù)載電流，并降低串?dāng)_。
