- D類(lèi)放大器解決方案
- D類(lèi)放大器的電源設計
- 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
在手持應用中，D類(lèi)放大器的低功耗允許設計師可在保持很長(cháng)電池充電間隔的同時(shí)提供很高的音頻質(zhì)量。對所有個(gè)人通信和音響設備來(lái)說(shuō)，電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵的性能指標。對于市電供電設備(如A/V視聽(tīng)產(chǎn)品和游戲機)，D類(lèi)放大器的高功效可帶來(lái)更低的散熱量。從而使設計師可以采用更小的散熱器來(lái)實(shí)現更簡(jiǎn)潔的外形、更低的材料和組裝成本。事實(shí)上，精心設計的電源可以使每通道輸出功率高達幾瓦的應用無(wú)須散熱片。
D類(lèi)放大器解決方案
D類(lèi)放大器的基本拓撲結構包括一個(gè)脈寬調制器、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(lèi)放大器可以幫助用戶(hù)節省很多設計工作，如屏蔽放大器開(kāi)關(guān)操作所產(chǎn)生的電磁干擾和選擇最合適的開(kāi)關(guān)頻率。提高開(kāi)關(guān)頻率可以降低輸出濾波要求，但會(huì )因MOSFET柵極電容而導致更大的功率損失。因此，開(kāi)關(guān)頻率選擇要求在外部元件數量和功率轉換效率之間做一個(gè)平衡。功率橋的設計取決于所期望的D類(lèi)放大器的輸出功率。
例如，目前市場(chǎng)上已有D類(lèi)耳機驅動(dòng)器和D類(lèi)揚聲器驅動(dòng)器，這些不同配置的一個(gè)關(guān)鍵不同是輸出級的設計。設計用于揚聲器的D類(lèi)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為許多消費類(lèi)應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和一些LCD-TV。在大多數這些應用，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)，對于非常高的輸出功率，一個(gè)D類(lèi)放大器可以結合一個(gè)采用音頻功率MOSFET構建的外部輸出級來(lái)實(shí)現。該D類(lèi)放大器必須提供一個(gè)合適的預放大器，所選的分立MOSFET必須是針對數字音頻操作而優(yōu)化的。
濾波
D類(lèi)MOSFETH橋的輸出是一個(gè)代表音頻信號的方波。開(kāi)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(kāi)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(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高而增加，從而降低效率，并導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(kāi)關(guān)損耗，會(huì )隨著(zhù)工作頻率的提高而線(xiàn)性增加。因此，通常認定D類(lèi)放大器輸出級的設計要具有低損耗的MOSFET，并正確設置了開(kāi)關(guān)頻率，以滿(mǎn)足電磁干擾(EMI)的特定要求。
用無(wú)濾波器的D類(lèi)放大器連接到揚聲器(如手機揚聲器)，對于尺寸和成本都很敏感的應用來(lái)說(shuō)是一個(gè)明顯的優(yōu)勢。當D類(lèi)放大器輸出靠近揚聲器時(shí)，揚聲器線(xiàn)圈的寄生電阻和電感可組成一個(gè)適當的LR低通濾波器?？捎糜跓o(wú)濾波器配置的D類(lèi)放大器的一個(gè)例子是歐勝的WM8960。如果D類(lèi)放大器輸出與揚聲器的距離比較遠，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。
電源設計
與線(xiàn)性A/B類(lèi)放大器相比，采用D類(lèi)放大器的設計師還必須更密切注意電源性能對音頻輸出質(zhì)量的影響。因為D類(lèi)輸出是一個(gè)開(kāi)關(guān)級，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)將直接調制輸出信號。因此，設計師必須確保音頻頻帶上的高負載調節，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)穩壓器，必要時(shí)它可以添加到現有的電源中，以改善負載調節。對每個(gè)放大器輸出采用一個(gè)獨立的穩壓器，具有減少音頻通道之間串擾的附加優(yōu)勢。不過(guò)，一個(gè)額外的穩壓器或一對穩壓器增加了總的實(shí)現成本。此外，穩壓器功耗降低了效率增益，而效率增益是采用D類(lèi)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)，降低了負載調節對音頻輸出信號的影響。添加PWM輸出到模擬音頻輸入的反饋通過(guò)補償電源電壓的變化提高了PSRR。這可以實(shí)現高達80dB左右的PSRR，這已經(jīng)非常接近便攜式應用使用的差分AB類(lèi)放大器的PSRR。不過(guò)，如果D類(lèi)放大器輸入信號是純粹的數字音頻，那么這一技術(shù)不適用。全數字D類(lèi)放大器的PSRR是0分貝，而且設計師必須確保電源電壓的小偏差調節。
電源的瞬態(tài)性能也應當考慮。為了精確地再現PWM波形，電源必須能夠對突如其來(lái)的電流變化迅速反應。線(xiàn)性放大器在這方面的要求不高，因為輸出級的帶寬局限于音頻范圍。對于一個(gè)針對D類(lèi)放大器設計的電源來(lái)說(shuō)，導致糟糕瞬態(tài)響應的音頻帶外電壓波動(dòng)，將調制PWM信號，從而引入在音頻輸出端可聽(tīng)得見(jiàn)的諧波失真。
一個(gè)有幫助的技術(shù)是安置不同輸出級的MOSFET在不同的開(kāi)關(guān)中，這可減少峰值電源電流。例如，歐勝5～7.1聲道數字功放控制器WM8608，具有一個(gè)內嵌的‘PWM輸出相’功能，它可在每個(gè)輸出聲道的PWM信號之間引入160ns的延遲，這樣就具有PWM周期內分散開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流的效果。在一個(gè)6聲道的多聲道系統中，這一技術(shù)可大幅降低最大瞬態(tài)負載電流，并降低串擾。
