D類音頻放大器概念及其設(shè)計(jì)原理和方法

　　具有環(huán)形電感器磁芯的LC濾波器可將放大器電流導(dǎo)致的雜散現(xiàn)場(chǎng)輸電線影響減至最小。在成本和EMI性能之間的一種好的折衷方法是通過屏蔽減小來自低成本鼓形磁芯的輻射，如果注意可保證這種屏蔽可接受地降低電感器線性和揚(yáng)聲器音質(zhì)。

　　LC濾波器設(shè)計(jì)

　　為了節(jié)省成本和PCB面積，大多數(shù)D類放大器的LC濾波器采用二階低通設(shè)計(jì)。圖3示出一個(gè)差分式二階LC濾波器。揚(yáng)聲器用于減弱電路的固有諧振。盡管揚(yáng)聲器阻抗有時(shí)近似于簡(jiǎn)單的電阻，但實(shí)際阻抗比較復(fù)雜并且可能包括顯著的無功分量。要獲得最佳濾波器設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)總是爭(zhēng)取使用精確的揚(yáng)聲器模型。

　　常見的濾波器設(shè)計(jì)選擇目的是為了在所需要的最高音頻頻率條件下將濾波器響應(yīng)下降減至最小以獲得最低帶寬。如果對(duì)于高達(dá)20 kHz頻率，要求下降小于1 dB，則要求典型的濾波器具有40 kHz巴特沃斯（Butterworth）響應(yīng)（以達(dá)到最大平坦通帶）。對(duì)于常見的揚(yáng)聲器阻抗以及標(biāo)準(zhǔn)的L值和C值，下表給出了標(biāo)稱元器件值及其相應(yīng)的近似Butterworth響應(yīng)：

　　如果設(shè)計(jì)不包括揚(yáng)聲器反饋，揚(yáng)聲器THD會(huì)對(duì)LC濾波器元器件的線性度敏感。

　　電感器設(shè)計(jì)考慮因素：設(shè)計(jì)或選擇電感器的重要因素包括磁芯的額定電流和形狀，以及饒線電阻。

　　額定電流：選用磁芯的額定電流應(yīng)當(dāng)大于期望的放大器的最高電流。原因是如果電流超過額定電流閾值并且電流密度太高，許多電感器磁芯會(huì)發(fā)生磁性飽和，導(dǎo)致電感急劇減小，這是我們所不期望的。

　　通過在磁芯周圍饒線而形成電感器。如果饒線匝數(shù)很多，與總饒線長(zhǎng)度相關(guān)的電阻很重要。由于該電阻串聯(lián)于半橋和揚(yáng)聲器之間，因而會(huì)消耗一些輸出功率。如果電阻太高，應(yīng)當(dāng)使用較粗的饒線或選用要求饒線匝數(shù)較少的其它金屬材質(zhì)的磁芯以提供需要的電感。

　　最后，不要忘記所使用的電感器的形狀也會(huì)影響EMI，正如上面所提到的。

　　系統(tǒng)成本

　　在使用D類放大器的音頻系統(tǒng)中，有哪些重要因素影響其總體成本？ 我們?cè)鯓硬拍軐⒊杀緶p至最低？

　　D類放大器的有源器件是開關(guān)輸出級(jí)和調(diào)制器。構(gòu)成該電路的成本大致與模擬線性放大器相同。真正需要考慮的折衷是系統(tǒng)的其它元器件。

　　D類放大器的低功耗節(jié)省了散熱裝置的成本（以及PCB面積），例如，散熱片或風(fēng)扇。D類集成電路放大器可采用比模擬線性放大器尺寸小和成本低的封裝。當(dāng)驅(qū)動(dòng)數(shù)字音頻源時(shí)，模擬線性放大器需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。對(duì)于處理模擬輸入的D類放大器也需如此轉(zhuǎn)換，但對(duì)于數(shù)字輸入的D類放大器有效地集成了DAC功能。

　　另一方面，D類放大器的主要成本缺點(diǎn)是LC濾波器。LC濾波器的元器件，尤其是電感器，占用PCB面積并且增加成本。在大功率放大器中，D類放大器的總體系統(tǒng)成本仍具有競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)樵谏嵫b置節(jié)省的大量成本可以抵消LC濾波器的成本。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。在極個(gè)別情況下，例如，用于蜂窩電話的低成本放大器，放大器IC的成本可能比LC濾波器的總成本還要低。即使是忽略成本方面的考慮，LC濾波器占用的PCB面積也是小型應(yīng)用中的一個(gè)問題。

　　為了滿足這些考慮，有時(shí)會(huì)完全取消LC濾波器，以采用無濾波放大器設(shè)計(jì)。這樣可節(jié)省成本和PCB面積，雖然失去了低通濾波器的好處。如果沒有濾波器，EMI和高頻功耗的增加將會(huì)不可接受，除非揚(yáng)聲器采用電感式并且非?？拷糯笃?，電流環(huán)路面積最小，而且功率水平保持很低。盡管這種設(shè)計(jì)在便攜式應(yīng)用中經(jīng)常采用，例如，蜂窩電話，但不適合大功率系統(tǒng)，例如，家庭音響。

　　另一種方法是將每個(gè)音頻通道所需要的LC濾波器元器件數(shù)減至最少。這可以通過使用單端半橋輸出級(jí)實(shí)現(xiàn)，它需要的電感器和電容器數(shù)量是差分全橋電路的一半。但如果半橋輸出級(jí)需要雙極性電源，那么與產(chǎn)生負(fù)電源相關(guān)的成本可能就會(huì)過高，除非負(fù)電源已經(jīng)有一些其它目的，或放大器有足夠多的音頻通道，以分?jǐn)傌?fù)電源成本。另外，半橋也可從單電源供電，但這樣會(huì)降低輸出功率并且經(jīng)常需要使用一個(gè)大的隔直流電容器。

　　ADI公司D類放大器

　　剛才討論的所有設(shè)計(jì)問題可以歸結(jié)到一個(gè)要求相當(dāng)嚴(yán)格的項(xiàng)目。為了節(jié)省設(shè)計(jì)工程師的時(shí)間，ADI公司提供各種D類放大器IC1，它們含有可編程增益放大器、調(diào)制器和功率輸出級(jí)。為了簡(jiǎn)化評(píng)估，ADI公司為每種類型的放大器提供了演示板。這些演示板的PCB布線和材料清單可以作為切實(shí)可行的參考設(shè)計(jì)，從而幫助客戶迅速設(shè)計(jì)經(jīng)過驗(yàn)證、經(jīng)濟(jì)有效的音頻系統(tǒng)而無須為解決D類放大器主要設(shè)計(jì)問題做“重復(fù)性的工作”。

　　例如，可以考慮使用AD1990，AD1992，AD1994和AD1996雙放大器IC系列產(chǎn)品，它們適合要求兩個(gè)通道每通道輸出達(dá)到5，10，25和40 W的中等功率的立體聲或單聲道應(yīng)用。下面是這些IC的一些特性：

　　AD1994 D類音頻功率放大器包含兩個(gè)可編程增益放大器、兩個(gè)Σ-Δ調(diào)制器和兩個(gè)功率輸出級(jí)以在家庭影院、汽車和PC音頻應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)全H橋連接的負(fù)載。它產(chǎn)生的開關(guān)波形可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)25 W立體聲揚(yáng)聲器，或一個(gè)50 W單聲道揚(yáng)聲器，具有90%的效率。其單端輸入施加到一個(gè)增益可設(shè)置為0，6，12和18 dB的可編程增益放大器（PGA），以處理低電平信號(hào)。

　　AD1994具有集成保護(hù)以防止輸出級(jí)受到過熱、過流和沖擊電流的危害。由于其特殊的時(shí)序控制、軟啟動(dòng)和DC失調(diào)校準(zhǔn)，與靜音相關(guān)的咔嗒聲很微小。其主要性能指標(biāo)包括0.001% THD，105 dB動(dòng)態(tài)范圍，大于60 dB的PSR，以及采用開關(guān)輸出級(jí)連續(xù)時(shí)間反饋和優(yōu)化的輸出級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)器。其1 bit Σ-Δ調(diào)制器尤其為D類應(yīng)用增強(qiáng)以達(dá)到500 kHz平均數(shù)據(jù)頻率，對(duì)于90%調(diào)制具有高環(huán)路增益，以及全調(diào)制穩(wěn)定性。獨(dú)立調(diào)制器方式允許驅(qū)動(dòng)外部的大輸出功率場(chǎng)效應(yīng)管（FET）。

　　AD1994對(duì)于PGA、調(diào)制器和數(shù)字邏輯采用5 V電源，對(duì)于開關(guān)輸出級(jí)采用8 V～20 V高電壓電源。相關(guān)的參考設(shè)計(jì)滿足FCC B類EMI標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)以5 V和12 V電源驅(qū)動(dòng)6Ω負(fù)載時(shí)，其靜態(tài)功耗為487 mW，在2×1 W輸出功率條件下功耗為710 mW，在待機(jī)方式下功耗為0.27 mW。AD1994采用64引腳LFCSP封裝，工作溫度范圍為–40℃～+85℃。