新型無濾波器D類放大器及其應用設計技巧
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圖1：典型的D類放大器工作情況。 本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/259047.htm |
如今，MP3播放器、便攜式媒體播放器(PMP)或手機等許多便攜式產品都具備MP3或MP4播放/錄音功能。不論采用的是硬件抑或軟件解碼，功耗都是個問題。因此，這些便攜式產品所采用的電池也遇到使用時間縮短的難題。某些情況下，用戶會用免提(揚聲器模式)播放電影或音樂。這給系統(tǒng)電池增添了額外的負擔。盡管電池容量通過采用新技術——從鎳鉻(Ni-Cad)電池到鎳氫(Ni-MH)電池再到鋰離子(Li-ion)電池——而得到改進，但仍然無法完全克服電池使用時間縮短的問題。
為了使電池貯存更多的電量，功率放大器成為了我們注意的一個焦點。其中，D類放大器具有比AB類放大器更高的效率。大家知道，典型的AB類放大器效率最高只能達到50-70%，而典型的D類放大器與之相比，效率可達85%，尤其是在低功率輸出方面。更高效率意味著可以節(jié)省功率，并使產生的熱量較少。而更低的功率消耗及熱量能使你設計的系統(tǒng)更加可靠，電池使用時間更長。你可以發(fā)現D類放大器比AB類放大器能儲存更多的能量。即使是全功率或低功率輸出，效率方面也更為突出。
基本的D類放大器理論是給定的小模擬信號作為功率放大器的輸入。功率放大器內部調制器將模擬轉換成數字信號，如脈寬調制(PWM)或脈沖編碼調制(PCM)(取決于器件采用何種調制方式)。但它仍然是一個微弱的數字信號。然后，橋接放大器將數字信號的振幅放大。為了將高幅度數字信號轉換回模擬輸出，還需要一個無源LC濾波器。圖1能說明更多細節(jié)，其中，紅色方框內代表功放器件(芯片)部分。
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圖3：典型的低通濾波器電路。 |
圖2是典型的PWM D類放大器結構。藍色方框代表PWM轉換器(調制器)。紅色方框表示高功率放大器。放大器和揚聲器之間的最終輸出級是無源低通濾波器(LPF)。D類放大器的低通濾波器必不可少。
圖3是典型的低通濾波器電路。功放和揚聲器之間串聯(lián)兩個電感。當功放工作時，大電流會流過這兩個電感。由于有大電流通過，因此要選擇大尺寸電感。但對于便攜式產品，PCB空間十分有限，不允許使用兩個大電感。除了兩個大電感之外，外部的三個電容也占用了PCB空間。
為了避免使用輸出濾波器，美國國家半導體(National Semiconductor)專門研制出了系列無濾波器D類放大器，為攻占這一市場提供了靈活性。其概念是采用一個移動的線圈揚聲器作為變送器(transducer)。音頻放大器上的典型變送器負載相當感性(感性負載)。因此，揚聲器負載可擔當作為其自身的濾波器。
美國國家半導體提供多款“無濾波器”D類放大器解決方案，如LM4666、LM4667、LM4670和LM4671等。下面列出的是這幾款放大器的主要特性或典型設計電路。
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圖4：典型的LM4666應用電路。 |
圖4所示為典型的LM4666應用電路。LM4666是一款每聲道可輸出1.3W的高效率全面差分D類立體聲揚聲器放大器，增益更可由用戶自行選擇(6-12dB)。這個單芯片的立體聲解決方案不但設計靈活，而且容易使用，由于增益可自行選擇，因此所需的零件可以減至最少，而電路板的板面空間也可盡量縮小，有助降低系統(tǒng)的整體成本。由于這款放大器芯片的能源效益極高，因此功耗較低，而芯片本身所耗散的熱能也較少，有助延長移動電話的電池壽命及通話時間。此外，由于LM4666也采用delta-sigma調制技術，因此可以抑制輸出噪音，減少總諧波失真(THD)，以這方面來說，確實比傳統(tǒng)的脈沖寬度調制(PWM)D類放大器優(yōu)勝。
當THD等于1%(Vdd=5V)時，LM4666能將每通道1.2W的輸出功率傳送給8歐揚聲器。兩個內部固定增益通過一個增益選擇引腳進行控制，如6dB或12dB。LM4666具有低功耗關斷模式。封裝為micro-SMD及MSOP。當電源電壓為3.3V時，能驅動4歐揚聲器。
LM4667是一款全面集成的單電源、高效率開關音頻放大器。由于這款芯片設有創(chuàng)新的調制器，因此無需裝設一般開關放大器必須采用的輸出濾波器。LM4667采用delta-sigma調制技術處理模擬輸入信號，因此輸出噪音以至總諧波失真及噪音(THD+N)都比采用傳統(tǒng)的脈沖寬度調制器低。LM4667芯片是專為移動電話及其他便攜式通信設備而設計，務求能滿足這類電子設備的要求。這款芯片只采用一個3伏的電源供應器，可以連續(xù)輸出平均約450mW的功率以驅動8W感性負載，而總諧波失真及噪音不會超過1%。這款芯片更可靈活利用2.7伏至5.5伏的電源供應操作。
當THD等于2%(Vdd=5V)時，LM4667能將1.3W的輸出功率傳送給8歐揚聲器。兩個內部固定增益通過一個增益選擇引腳進行控制，如6dB或12dB。其外部元件非常少。LM4667具有低功耗關斷模式。封裝為micro-SMD及MSOP。當電源電壓為3.3V時，能驅動4歐揚聲器。
LM4670及LM4671都是全面集成的單電源供應、高效率開關音頻放大器，LM4670可以提供3W的功率輸出，而LM4671的輸出功率則高達2.5W。這兩款放大器芯片都設有創(chuàng)新的調制電路，因此無需加設輸出濾波器，這個優(yōu)點是典型的開關放大器所沒有的。由于無需加設輸出濾波器，因此系統(tǒng)所需的外置元件便可以減少，有助精簡電路設計及縮小電路板面積。LM4670芯片利用delta-sigma調制技術處理輸入模擬信號，這個設計可減少輸出噪音及總諧波失真。LM4670放大器的特點是輸出功率較高，因此最適用于超高功率對講機、移動電話對講系統(tǒng)及免持聽筒等應用。LM4671芯片可以利用PWM技術處理輸入模擬信號，因此輸出噪音較少，最適用于耳機/接收器、高功率振鈴及免持聽筒等音頻系統(tǒng)。
當THD等于1%(Vdd=5V)時，LM4670單sigma-delta調制無濾波器D類音頻放大器能將2.3W傳送給4歐揚聲器。器件增益可進行外部配置，即可通過將信號累加的多種方式進行獨立的增益控制。LM4670具有低功耗關斷模式。封裝為micro-SMD及LLP。
當THD等于1%(Vdd=5V)時，LM4671單PWM調制無濾波器D類音頻放大器能將2.2W傳送給4歐揚聲器。器件增益可進行外部配置。LM4670具有低功耗關斷模式。封裝為micro-SMD。
無濾波器D類放大器的應用設計技巧
功率放大器輸出中存在的攻擊性波形可能會對系統(tǒng)中的其它器件帶來幅射或影響，從而產生干擾。有必要保持輸出跡線較短(見圖5)，如果有可能的話，還要對其進行很好地屏蔽。
以手機應用為例。手機PCB設計上的挑戰(zhàn)在于兩個方面：一是板面積小，二是有RF的電路。因為可用的板面積有限，而又有數個不同特性的電路區(qū)域，如RF電路、電源電路、話音模擬電路、一般的數字電路等，它們都各有不同的設計需求。在這種情況下，好的布局必須防止射頻能量與電話中的基頻部分或音頻電路的音頻與功率跡線產生串擾。從布局方面考慮，我們不可以將功率放大器放在天線附近，因為在有電話撥入或撥出時天線的輻射會與高功率輸出產生串擾。此外，所有的信號路徑必須通過接地層進行屏蔽/隔離。使用接地層、磁珠和微帶設計技巧對于防止發(fā)生多余的干擾而言都非常有好處。
而隨著輸出功率提高，放大器、負載和電源之間的互連阻抗(PCB跡線和連線)會產生電壓降。放大器與負載之間的跡線上的電壓損耗會使輸出功率降低，效率下降。而電源與功率放大器之間過高的跡線阻抗也會導致同樣的結果，如電源供應不穩(wěn)定、電源線紋波增加，以及峰值輸出功率下降。此外，由于輸出功率提高，輸出電流也隨之提高，殘余跡線阻抗也會升高。為了維持最高的輸出電壓擺幅和相應的峰輸出功率，連接輸出引腳到負載引腳的PCB跡線應該足夠寬，從而將跡線阻抗最小化。
作者：郭俊杰，亞太區(qū)音頻產品應用工程師，美國國家半導體香港有限公司
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