D類放大技術(shù)卷土重來

2004年8月A版

　　強勁的消費市場一直是推進全職和計件設(shè)計師工作的動力。IC Insights公司認為DVD播放機是增長最快的電子產(chǎn)品市場，預測2007年的發(fā)貨量將達到1.168億臺。智能手持設(shè)備，例如PDA和智能電話占第二位，數(shù)碼靜止相機的增長達到第三位，隨后是數(shù)字機頂盒和便攜式壓縮語音設(shè)備。去年圣誕節(jié)瘋狂搶購庫存的最后一部數(shù)字音樂播放機iPod的情景仍記憶猶新。

　　除了數(shù)碼靜止相機以外，全部增長中的電子產(chǎn)品市場的共同特點是具備語音能力，在要求降低體積和重量的同時也要求綜合更多的特性。但是，計算功能、互聯(lián)網(wǎng)接入、照相和底片裁剪、播放音樂、以及聲音傳送等都帶來令人頭痛的干擾。例如，一位正在重新啟動PC機的失去耐心的客戶，碰到了智能電話的多功能特性被“搞跨”或消失時會非常狼狽。

D技術(shù)的激勵

　　D類技術(shù)正在回流，對放大器來說有何意義呢？D類放大亦稱為脈寬調(diào)制(PWM)，在真空管時期的1950年代已經(jīng)出現(xiàn)。它排在A類、AB類(傳統(tǒng)放大器)、B類和C類的后面，雖然具有更高輸出而且在較小的占用面積下提供更高電源效率和熱效率，但是它并未獲得音頻專家們的青睞。較小的電源尺寸無需使用散熱器，可降低成本和減小占位空間，現(xiàn)在是多通道音頻系統(tǒng)的時代，D類放大的優(yōu)點大有用場。例如，典型的DVD系統(tǒng)正從6路30W通道向6路60W通道過渡，這樣的指標對傳統(tǒng)AB類放大器在體積、重量、散熱和成本方面都達不到要求。對于消費電子產(chǎn)品來說，成本因素是絕對不應低估的。

　　D類放大技術(shù)基本上是一邊輸入加有三角波而另一邊輸入加有音頻信號的比較器，輸入信號可以是帶有或沒有反饋的數(shù)字或模擬信號。產(chǎn)生的PWM脈沖序列再送入功率場效應晶體管(FET)，揚聲器起著濾波器的作用，將放大后的PWM信號轉(zhuǎn)換成人類耳朵可檢測的模擬信號，如圖1所示。

信號的混合

　　Wolfson微電子公司是研發(fā)D類解決方案的公司之一，該混合信號半導體公司相信，數(shù)字技術(shù)是大功率、多通道音頻的主力，適用于產(chǎn)生驅(qū)動FET的PWM脈沖串。Wolfson利用它的混全信號音頻變換經(jīng)驗生產(chǎn)多通道PWM數(shù)字功率放大器的控制器WM8608。該器件提供純數(shù)字信號至末級輸出和換能器，無需數(shù)字至模擬的轉(zhuǎn)換。

　　對數(shù)字數(shù)據(jù)采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)流和數(shù)字解碼，PWM脈沖串直接由數(shù)字輸入產(chǎn)生。因為信號在脈沖串的大部分保持數(shù)字量，器件具有更高的信號處理能力。

　　PWM脈沖串的一部分是模擬信號，由作為開關(guān)的功率FET將信號放大。放大后的信號直接加到揚聲器，它對信號濾波和獲得放大的信號輸出。因而，F(xiàn)ET性能在D類應用中十分重要，它從電源直接切換大的電流和送到輸出端。處理高開關(guān)速度的FET要很小心，以免產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。因此要安排好FET的位置和電路板布線。

D類放大之謎

　　WM8608的輸出是6路全音頻帶寬的通道和1路降低帶寬的副通道。PWM輸出可選擇CMOS或LVDS(低壓差分信號)方式，使用LVDS可降低EMI和潛在的無線電干擾，允許較大的PCB板布線靈活性，因為LVDS的線跡可更長。PCM至PWM轉(zhuǎn)換器支持7路PCM輸入格式的音頻通道。將后通道數(shù)據(jù)與中后揚聲器或環(huán)繞揚聲器的數(shù)據(jù)混合在一起，可以減少通道數(shù)目。

　　器件具有4波段圖形顯示均衡器的功能，可選擇高頻均衡量以滿足不同的揚聲器。每通道都有獨立的音響控制，從24~103.5dB以每步0.5dB調(diào)節(jié)。

　　主要的數(shù)字解決方案采用DSP結(jié)構(gòu)，這種低音管理技術(shù)只將高頻信號送到揚聲器。DSP結(jié)構(gòu)對每個通道都使用動態(tài)峰值壓縮器，特點是當增益>0dB時可以避免數(shù)字限幅，亦即為圖形均衡范圍保留足夠的信號幅度。板上的相位鎖相環(huán)路(PLL)使系統(tǒng)的時鐘簡化，器件不必使用MPEG和音頻的時鐘。

其它D類產(chǎn)品

　　還有其它公司采用D類技術(shù)，德州儀器(TI)公司已擴大業(yè)務到家庭影院產(chǎn)品，其中包括無濾波器的多種D類音頻功率放大器，用于LCD平板顯示、LCD投影儀和功率揚聲器。它們的封裝是薄型、小體積的標準PowerPad、表面貼裝的24引腳TSSOP。

　　5V供電的TPA2008D2芯片集成有DC音量控制，可降低成本和縮短設(shè)計時間。影響輸出功率電平的增益量由加到音量引腳的DC電壓來控制。器件可在3Ω揚聲器上輸出2路3W的功率，效率達到80%而無需散熱器，這正是15~17英寸LCD電視和多功能監(jiān)視器所需的設(shè)計特點。此外，為了減小系統(tǒng)的熱量，還降低從電源供應的電流。TI公司稱，器件達到D類放大器的測試基準，噪聲本底為-80dB。本底噪聲連同半功率的總諧波失真，再加上1KHz下的 0.045%噪聲，在揚聲器上可獲得清晰、純潔信號。

　　ST微電子公司利用BASH技術(shù)制成另一種綜合AB類和D類優(yōu)點的STA 5150器件，ST從Indigo公司取得BASH技術(shù)的許可證，采用ST 的BCO(雙極CMOS，DMOS)工藝技術(shù)生產(chǎn)。

　　這種單芯片音頻功率放大器使用DMOS功率晶體管，它工作在AB類方式以降低EMI(電磁干擾)和失真，采用BASH專用的外部電路結(jié)構(gòu)以降低電源電壓，檢測功率級和外部升壓變換器，達到改善系統(tǒng)的保護性能。器件在4W負載上輸出200W，失真<10%和效率比傳統(tǒng)的AB類器件提高3倍。