數(shù)字放大器的單端設(shè)計(jì)

數(shù)字放大器最大優(yōu)點(diǎn)之一是其具備設(shè)計(jì)復(fù)用的數(shù)字數(shù)據(jù)通路的靈活性。因?yàn)樾盘?hào)在到達(dá)揚(yáng)聲器之前是保持在數(shù)字域的，所以在信號(hào)路由方面具有更大的靈活性。這種靈活性同時(shí)也能處理開發(fā)過程中和生產(chǎn)過程的填料選擇和/或固件變更。數(shù)字放大器有一個(gè)被稱為單端工作的常規(guī)模式。本文描述了單端設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和工程相關(guān)的權(quán)衡考慮。

通常，數(shù)字放大器具有兩級(jí)架構(gòu)。如圖1所示，脈沖寬度調(diào)制(PWM)處理器后緊隨著功率級(jí)。邏輯級(jí)的PWM處理器通常接收IIS格式的音頻數(shù)據(jù)。它執(zhí)行音頻處理并將脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PWM數(shù)據(jù)。一般情況下，通過I²C總線控制PWM處理器以改變音量、語音控制或諸如均衡等其他音頻處理功能。大多數(shù)PWM處理器還具有另一個(gè)主要特征，即能改變信號(hào)路由，甚至是在運(yùn)行過程中。這允許設(shè)計(jì)者能靈活地設(shè)計(jì)PCB布線，或允許用戶將音頻內(nèi)容發(fā)送到不同的揚(yáng)聲器。功率級(jí)將接收到的3.3V PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成高壓信號(hào)，并通過MOSFET H橋和二階LC濾波器將其供給揚(yáng)聲器。

包含MOSFET H橋的功率級(jí)如圖1所示。這里是將MOSFET用作開關(guān)，使得+V電壓能通過正/負(fù)向跨接到揚(yáng)聲器。對(duì)于將揚(yáng)聲器連接在兩個(gè)MOSFET半橋之間的大多數(shù)立體聲功率級(jí)而言，橋接負(fù)載(BTL)是標(biāo)準(zhǔn)的配置。單端(SE)是指每個(gè)揚(yáng)聲器由單個(gè)MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)。相對(duì)BTL而言，SE的通道總數(shù)是其兩倍；但對(duì)于特定的輸出負(fù)載，SE各通道的功率約為其25%。在SE模式中，當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，接到揚(yáng)聲器上的+V電壓是正向的；而PWM信號(hào)為低電平時(shí)，表示揚(yáng)聲器接地。

數(shù)字放大器的單端工作模式如圖2所示，這與線性音頻放大器的單端工作并無太大差別。主要的區(qū)別在于重建濾波器(二階LC濾波器)把PWM信號(hào)中的高頻成分濾出，而只保留基帶音頻信號(hào)。直接將音頻信號(hào)供至揚(yáng)聲器將導(dǎo)致一個(gè)很大的直流電壓加在揚(yáng)聲器上，其值等于PVDD/2。由于揚(yáng)聲器阻抗具有很大的感抗成分，這相當(dāng)于在電感兩端加載了一個(gè)很大的DC電壓，會(huì)導(dǎo)致電流直線上升至非常大值，進(jìn)而可能損壞揚(yáng)聲器。因此，在放大器與揚(yáng)聲器之間放置一個(gè)大電容以濾掉DC成分。但是，該電容也會(huì)使較低音頻成分產(chǎn)生衰減并在約為1/(2πR_spC)時(shí)出現(xiàn)3dB點(diǎn)，其中Rsp是揚(yáng)聲器的阻抗。為了使更多的頻率帶寬通過揚(yáng)聲器，須使用更大電容值的電容，但這要以成本和PCB面積為代價(jià)。

在上述的單端配置中，音頻信號(hào)以地為參考點(diǎn)。換言之，揚(yáng)聲器的一端是接地的。隔離DC的另一方法是使用分離電容(split-cap)配置(如圖3所示)，因此音頻信號(hào)此時(shí)的參考電壓是PVDD/2。從交流(AC)的角度來說，當(dāng)C_sm=C_b/2時(shí)，圖2和圖3就沒有區(qū)別。額外插入電容時(shí)，C_s的半額定電流是C_b的一半，且C_s的等效串聯(lián)電阻(ESR)是C_b的兩倍，而音頻或溫度性能無任何變化。

圖1：具有H橋功率級(jí)的數(shù)字放大器數(shù)據(jù)通路

圖2：帶直流隔離電容配置的單端數(shù)字放大器

圖3：帶分離電容配置的單端數(shù)字放大器

與隔離電容配置相比較，分離模式配置的最大優(yōu)點(diǎn)是增加了電源紋波抑制比(PSRR)。圖4所示的曲線為TI的TAS5086/5142評(píng)估模塊(EVM)的PSRR測量值。在該EVM中，TAS5142評(píng)估板的功率級(jí)被配置成單端模式。也許有人會(huì)對(duì)一個(gè)開環(huán)單端放大器能具有如此高的PSRR感到奇怪。事實(shí)的原因是，PVDD的電壓變化(ΔPVDD)都處于分離電容的中點(diǎn)(都為ΔPVDD/2)，從而使得經(jīng)過揚(yáng)聲器的PVDD變化被抵消掉了。

圖4：TI TAS5086/5142 EVM的單端PSRR曲線

SE分離模式的配置還需要解決下面兩個(gè)設(shè)計(jì)問題。如前所述，經(jīng)過重建濾波后的音頻信號(hào)有一個(gè)大小為PVDD/2的DC成分。若電容C_s是理想的，則兩電容的電壓都可充至PVDD/2，且沒有DC成分流經(jīng)揚(yáng)聲器。然而，由于兩個(gè)電容不是理想的且存在偏差，所以直流電壓值并不等于PVDD/2。因此，上電后當(dāng)音頻信號(hào)傳至揚(yáng)聲器時(shí)，將會(huì)有一個(gè)DC電壓通過揚(yáng)聲器，從而導(dǎo)致“劈啪”聲。由于分離電容的充電時(shí)間為RC所決定的時(shí)間常數(shù)所限定，所以會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)相關(guān)的問題。雖然，在分離電容充完電之前只要MOSFET不產(chǎn)生開關(guān)動(dòng)作，該問題便不會(huì)發(fā)生。但實(shí)際應(yīng)用中這一點(diǎn)卻很難實(shí)現(xiàn)，因此會(huì)產(chǎn)生很大的“劈啪”聲。

針對(duì)上述兩個(gè)問題的解決方案是帶有一個(gè)專用于實(shí)現(xiàn)快速充電到PVDD/2的半橋的功率級(jí)，這在TAS5186A上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。其特點(diǎn)是具有50%的占空比，DC電壓輸出是PVDD/2，分離電容能進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的充電。另一個(gè)給分離電容快速充電的方法是使用運(yùn)算放大器。當(dāng)沒有專用的半橋時(shí)，采用運(yùn)算放大器是一個(gè)行之有效的方法。

實(shí)際應(yīng)用中，包括上電“劈啪”聲、SNR、PSRR、總諧波失真+噪聲(THD+N)在內(nèi)的單端放大器的音頻性能數(shù)據(jù)是相當(dāng)好的，只比BTL的音頻性能稍為遜色。