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D类放大器背后的奥秘

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作者:Eric Gaalaas


音频放大器的用途是在发声输出元件上复现输入音频信号,提供所需要的音量和功率水平——保证复现的忠实性、高效率以及低失真度。在这一任务面前,D类放大器表现出多方面的优势。

音频是指约20Hz到20kHz的频率范围,因此一个音频放大器在这个频段上必须具备出色的频率响应特性(在驱动频带有限的低音和高音扬声器时,频响特性较好的频率范围可更窄些)。功率能力方面的需求则变化很大,具体指标取决于应用要求,从头戴式耳机的mW级到TV或PC影响上的数W,再到“微型”家庭立体声音响、汽车音响,而最高者是功率更强的家用和用于剧场和礼堂的商用音响系统,其功率达到数百W甚至更高。

音频放大器最直截了当的、模拟式的实现方式是让晶体管工作在线性模式下,让输出电压以一定比例随输入信号电压变化。前向的电压增益往往很高(至少40dB)。如果前向增益是反馈回路的一部分,则总的回路增益也将很高。电路中常常要采用反馈,因为很高的环路增益可以提供更高的性能——抑制前向通路的非线性所造成的失真,并通过提高电源抑制能力(PSR)来减小电源噪声。

在常规的晶体管放大器中,输出级上的晶体管需要提供时刻连续的输出电流。音响系统可以采用的多种实现形式包括A类、AB类和B类。与D类放大器相比,这些电路中,即使是效率最高的线性输出级,其功率的耗散很大。这一差异反衬出,D类放大器在许多应用方面具有显著的优势,因为较小的功率耗散意味着更低的发热量、电路板空间及成本的节省和便携式系统的电池工作时间的延长。

所有线性输出级都会出现功率的耗散,因为Vout的产生不可避免地造成至少一个输出晶体管上出现非零的IDS和VDS。功率耗散的量的大小在很大程度上取决于输出晶体管的偏置方法。

A类架构将架构中的一个晶体管用作一个能提供扬声器所需的最大音频电流的DC电流源。A类输出级可以提供良好的音响品质,但由于输出级晶体管上往往流过很大的DC偏置电流(这是我们所不希望出现的),而这一电流无法提供给扬声器(这反而是我们所希望的),因此会产生过大的功率耗散。

B类扬声器取消了DC偏置电流,所耗散的功率大大下降。其输出晶体管按照推-拉方式进行分别控制,这样,其中的一个器件向扬声器提供正向电流而另一个则吸纳负向电流。这减少了输出级的功率耗散,晶体管中只流过信号电流。然而,B类电路的音响质量较差,因为当输出电流过0点、晶体管在导通和关断状态间切换时,其工作在非线性状态(交越失真)。

AB类输出电路是A类和B类电路之间的一种折中,它具有一定的DC偏置电流,但该电流远小于纯A类设计所用的电流。小的DC偏置电流足以防止交越失真,从而保证良好的音响质量。功率耗散虽然在A类和B类之间,但一般更接近B类。AB类电路必须采取某种类似于B类电路的控制机制,以便能够提供或者吸纳很大的输出电流,

一种不同的拓扑结构——D类放大器的出现,是值得庆幸的事,它所消耗的功率远低于其他任何一种电路。其输出级在正、负电源之间来回切换,以便产生一个电压脉冲链。这一波形对于降低功率耗散来说是有利的,因为输出晶体管在不发生开关动作时电流为零,而在导通电流时其两端电压很低,因此IDS×VDS值更小。

因为大多数音频信号并非脉冲链,因此,必须通过一个调制器来将音频输入变换为脉冲。这些脉冲的频率分量既包括所需要的音频信号,也包括调制过程引入的显著的高频能量。

输出级和扬声器之间常常要放入一个低通滤波器,以便最大限度地降低电磁干扰(EMI),并避免驱动扬声器的高频能量过高。滤波器应该是无损耗的(或者接近无损耗的)以便保证开关输出级的低功率耗散的优势。该滤波器通常由电容和电感构成,唯一的一个有意引入的功率耗散元件就是扬声器本身。

喀嗒声和砰爆声
要保证D类放大器的总体上的优良的音响品质,就必须解决若干问题。

放大器导通和关断会伴随有令人厌烦的喀嗒声和砰爆声。不幸的是,D类放大器中很容易引入这些噪声,除非能够在放大器的静音和非静音的状态切换过程中对调制器的状态、输出级的定时关系和LC滤波器状态进行精心的调控。

为了避免放大器背景噪声能造成人耳可以听到的咝咝声,在便携式应用中的低功率放大器的信噪比(SNR)往往要大于90dB,而用于中等功率和大功率的设计的放大器的SNR应分别为100dB和110dB以上。多种类型的放大器实现方案都可以做到这一点,但在放大器设计中应该追踪各个噪声源,以确保总的SNR达到令人满意的程度。

产生失真的机制包括调制技术或者调制器实现方案中的非线性,以及为了防止直通(shoot-through)电流问题而在输出级引入的“死区”(dead time)。

关于音频信号强度的信息通常是通过D类调制器输出脉冲的宽度来编码的。为了防止输出级的直通电流而引入死区,就会带来非线性的定时误差,这又会在扬声器上产生与相对于理想脉冲宽度的定时误差成正比的失真量。为了最大限度减小失真,避免直通而引入的死区时间应该尽可能缩短。

其它的失真源包括输出脉冲的上升和下降时间的不匹配、输出晶体管栅极驱动电路的定时特性的不匹配以及LC低通滤波器的元件的非线性。

在电源波动抑制能力方面,电源噪声几乎可以在受到很小的抑制的情况下,直接耦合到扬声器上。之所以如此,是因为输出级的晶体管将电源通过一个很小的电阻直接连接到低通滤波器上。滤波器可以抑制高频噪声,但可以通过所有音频分量,包括噪声。

如果失真和电源问题都不能得到解决的话,就很难实现优于10dB的PSR或者优于0.1%的总谐波失真。更糟糕的是,THD属于会发出难听的声音的、高阶的分量。

幸运的是,这些问题有两种解决方案。如果音响设计者使用带很高环路增益的反馈的话(正如许多线性放大器设计),则会大大提高电路性能。来自于LC滤波器输入的反馈将大大改善PSR,并衰减所有的非LC滤波器失真。LC滤波器的非线性可以通过将扬声器也纳入反馈环路的方法来衰减。在设计合理的闭环D类放大器中,设计者可以获得高保真级的音响品质:PSR>60dB,THD<0.01%。

系统成本
影响采用D类放大器的音响系统的总成本的重要因素到底是哪些?设计者如何才能最大限度降低成本?

D类放大器的有源元件是开关输出级和调制器。该电路的成本可以大致与模拟线性放大器的成本相当,而系统的其他元件上是需要真正付出代价的地方。

D类放大器的较低的功率耗散可以为其省下冷却装置(散热器或者风扇)的成本(和空间)。D类集成电路放大器可以使用一个比线性放大器更小的、更便宜的封装。在利用数字音频信号源进行播放时,模拟的线性放大器需要通过数字-模拟变换器来将音频信号变换为模拟形式。模拟输入的D类放大器也需要数模变换器,但数字输入型电路可以有效的集成一个D/A转换器功能。

另一方面,D类放大器在成本上的主要缺点就在于它要使用LC滤波器。该元件——特别是电感——将占用电路板空间并增加成本。在大功率的放大器中,总的系统成本仍然具有竞争力,因为在冷却装置方面实现的极大的成本节约可以抵消LC滤波器的成本的增加。但是,在对成本敏感的、低功耗的应用中,电感的成本是巨大的。在极端情况下,如手机用的低价位放大器,放大器IC的成本可能低于总的LC滤波器的成本。此外,即使不考虑成本,LC滤波器所占用的电路板空间对于小外形尺寸的应用来说也是一个问题。

为了解决这些问题,有时人们干脆取消LC滤波器,即采用一个无滤波的放大器。这可以节约成本和空间,虽然不能享受到低通滤波的好处。如果没有滤波器的话,EMI和高频功率耗散可能会增加到令人无法接受的地步,除非扬声器是电感性的,其位置紧邻放大器,而且电路环面积很小,功率水平很低。虽然在手机等便携式应用中常常可以作到这一点,但该技术并不适用于功率更大的系统,如家用立体声音响。

另一个方法是尽可能减少每个通道的LC滤波元件。这可以通过采用单端的半桥式输出级电路来实现,这种电路结构所需要的电感和电容的数量是差动式的、全桥式的电路的一半。但是,如果半桥需要采用双极型电源的话,则产生负电源所需的成本也高得让人无法接受,除非由于另外的考虑而采用了某种负电源的话——或者,放大器有足够的音频通道,以便分摊采用负电源所带来的成本上升。另一方面,半桥电源也可以依靠单电源来供电,但输出功率必须降低,而且它也往往需要采用一个很大的DC隔直电容。

D类放大器的输出级在正、负电源之间进行开关切换,产生一系列电压脉冲,而不是像传统音频应用中的A、B、AB类放大器那样产生线性输出。其输出通过一个无源的LC低通滤波器来驱动一个扬声器。输出晶体管在关断时电流为零,而导通时的电压降很小,这使得D类放大器的功率耗散远远低于其他方案。因此,D类放大器的功耗更低,占用的电路板空间更小,而且让便携式系统中的电池的工作寿命得以延长,因此是音响应用的理想选择。

音响设计师在研制高性能的D类音响放大器时需要仔细考虑多种细节,包括输出晶体管尺寸的选择、输出级的保护、调制技术和滤波器拓扑等。除了预期的音质外,EMI的削减和系统成本也是要考虑的因素。

幸运的是,可以买到的商业化集成电路产品即可以实现整个D类放大器的功能,其中包含了增益可编程的放大器、调制器和输出级,以减少音响设计者的工作量和缩短上市时间。评估板、PC板布局布线和合理的材料清单,使得人们可以快速设计出成本经济性好的音响系统,而不必重复开发D类放大器的主要部分。

Eric Gaalaas (eric. gaalaas@analog.com) 是Analog Devices Inc.(Wilmington, Mass.)的高级设计工程师。他于Conell大学的电子工程专业获学士和硕士学位,具有12年的IC设计经验,其工作主要在音响方面。他是若干D/A变换器、采样速率变换器和D类放大器专利的发明人。

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