D類放大器的發(fā)展趨勢

在傳統(tǒng)D類放大器中，用控制器將模擬或數(shù)字音頻信號在被集成到功率后端設(shè)備中的功率MOSFET管放大之前轉(zhuǎn)換成PWM信號。這些放大器效率很高，使用很小的散熱器或根本不需要散熱器，且降低了對電源輸出功率的要求。然而，與傳統(tǒng) 的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的問題，解決這些問題就是D類放大器的發(fā)展新趨勢。

降低EMI

自從D類放大器誕生以來，由于其自身的軌對軌（rail-to-rail）供電開關(guān)特性而引起的大  

量輻射EMI就一直困擾著系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，這將使設(shè)備無法通過FCC和CISPR認(rèn)證。

在D類調(diào)制器中，通過將音頻信號與高頻固定頻率信號比較，并將結(jié)果在固定頻率的載波上調(diào)制，數(shù)字音頻信號被轉(zhuǎn)換成了PWM信號。形成的信號是可變脈寬的固定載波頻率（通常在幾百kHz），然后由高壓功率MOSFET對這些PWM信號進(jìn) 行放大，放 大后的PWM信號再通過低通濾波器去掉載頻，恢復(fù)出原始基帶音頻信號。

雖然這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很有效，但它也導(dǎo)致一些不希望的后果，如大量的輻射EMI。由于調(diào)制器采用固定頻率載波，因此將產(chǎn)生基載波的多次諧波輻射。而且，由于PWM信號自身的開關(guān)特性，過沖/下沖和振鈴將產(chǎn)生固定比率的高頻（10～100MHz的范圍）輻射EMI。為了壓制輻射EMI，最新一代PWM調(diào)制器發(fā)展的趨勢是采用擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)。

圖1：通過改變PWM信號的雙邊來修正EMI

擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)用于在更大的帶寬內(nèi)擴(kuò)展開關(guān)PWM信號的頻譜能量，而不改變原始音頻的內(nèi)容。一個(gè)改進(jìn)傳統(tǒng)調(diào)制器高輻射EMI的有效方法是改變PWM開關(guān)信號的兩個(gè)邊沿，如圖1所示。信號以載波頻率為中心，但任何一個(gè)邊沿都不是按周期重復(fù)的。這不僅維持了固定載波頻率，而且由于邊沿不是以固定比率跳變的，載波頻率上的輻射能量就得到了極大的降低。

改善音頻質(zhì)量

和性能優(yōu)良的A/B類放大器相比，D類放大器的音頻性能是很差的，不僅失真大，而且動(dòng)態(tài)范圍窄。所以，當(dāng)前D類放大器的設(shè)計(jì)者就必須改進(jìn)其性能。通過集成高性能采樣率轉(zhuǎn)換器（SRC）和Δ-Σ處理技術(shù)，新一代解決方案使失真（THD+N）得到了更大的改善，而且動(dòng)態(tài)范圍也超過了100dB。

目前，D類放大器的一個(gè)噪聲源是音頻采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)。而時(shí)鐘通常是由SOC（MPEG解碼器和DSP等）產(chǎn)生的，即使很小的抖動(dòng)也能迅速地影響到常規(guī)D類放大器的性能，因?yàn)橐纛l時(shí)鐘是與調(diào)制器的輸出時(shí)鐘關(guān)聯(lián)的。

解決這個(gè)問題的一個(gè)方法是采用SRC技術(shù)。因?yàn)镾RC使用本地穩(wěn)定的時(shí)鐘源來同步數(shù)字音頻的時(shí)鐘，例如石英晶體振蕩器，所以調(diào)制器的輸出抖動(dòng)實(shí)際上與其他音頻時(shí)鐘是獨(dú)立的、不相關(guān)的。SRC的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無論輸入音頻的采樣率如何波動(dòng)，其輸出開關(guān)比率都是固定的，這一點(diǎn)與基于PLL的調(diào)制器不同。當(dāng)音頻輸入源改變或輸入時(shí)鐘缺失時(shí)，SRC也通過消除可聽見的噪聲改善了系統(tǒng)的耐用性。

與目前的高端DAC所采用的技術(shù)類似，通過集成高階Δ-Σ處理技術(shù)，D類放大器的音頻質(zhì)量也得到了改善?；讦?Σ技術(shù)的調(diào)制器采用可以降低調(diào)制誤差的內(nèi)部反饋。通過減小采樣誤差，調(diào)制器可以改善輸出失真，從而獲得更好的音質(zhì)。

降低系統(tǒng)成本

為了追求D類放大器更低的成本，設(shè)計(jì)者在功率放大級采用半橋放大拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低復(fù)雜性和減少物料成本的目的。因?yàn)榘霕蚪Y(jié)構(gòu)輸出通常是全橋的一半，功率MOSFET和外部濾波器件的數(shù)量也就減少一半。這也增加了后端設(shè)備單位功率通道數(shù)的數(shù)量。然而，半橋放大器在輸出端也需要一個(gè)隔直電容，而且對供電干線上的噪聲也是極其敏感的。

在啟動(dòng)時(shí)，隔直流電容必須被充電到偏置點(diǎn)（高壓供電干線電壓的一半）。如果輸出信號沒有從地電位上升到偏置點(diǎn)，就會(huì)在揚(yáng)聲器中產(chǎn)生很大的“噗”聲（開機(jī)沖擊聲）。新型的D類放大器采用預(yù)充電電容使啟動(dòng)時(shí)揚(yáng)聲器保持無聲。

使揚(yáng)聲器在隔直電容充電時(shí)保持無沖擊聲的方法之一是使用數(shù)字電壓提升技術(shù)，也就是使PWM占空比從非開關(guān)狀態(tài)緩慢增加到50％。這將不會(huì)在揚(yáng)聲器中產(chǎn)生較大的“噗”聲，但由于MOSFET開關(guān)時(shí)產(chǎn)生大量的瞬態(tài)電流，揚(yáng)聲器也不是沒有聲音的。

使揚(yáng)聲器在隔直電容充電時(shí)保持無沖擊聲的另一種方法是模擬電壓提升技術(shù)。在這種類型的電壓提升過程中，一個(gè)電流源將電容充電到偏置點(diǎn)。一旦電容兩端的電壓達(dá)到偏置點(diǎn)，電流源就會(huì)關(guān)閉。

電源反饋

由于半橋是單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就不存在差分全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的共模抑制。在一個(gè)全橋放大器中，由于放大器的差分輸出是從同一個(gè)電壓源供電的，公共電壓源上的噪聲將在輸出端抵消。在半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，放大器供電電源上的任何交流紋波噪聲都將直接耦合到輸出端。由于半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對電源供電噪聲的敏感，常常需要提供供電抑制反饋（PSR）電路來進(jìn)行降噪。 

模擬D類放大器有許多本身固有的PSR特性，而完全的數(shù)字D類放大器則沒有。在目前的數(shù)字PSR方案中，通常采用一個(gè)外部的ADC來監(jiān)視放大器的供電電源。

反饋和噪聲抵消處理是在調(diào)制器的數(shù)字域中進(jìn)行的。有些制造商僅將這種反饋方法用于補(bǔ)償那些降低系統(tǒng)性能的從供電干線上耦合進(jìn)PWM輸出端的交流噪聲的影響。另外一些制造商也將其用于補(bǔ)償由于負(fù)載變化而引起的直流供電電壓的改變（電壓降落），例如，低音單元（超重低音揚(yáng)聲器）所需要的快速浪涌電流，或者供電線路的電壓波動(dòng)。交流和直流器件中PSR反饋所帶來的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)擴(kuò)展到了全橋放大器，并改善了目前多通道家庭影院放大器中通道間的隔離，在串?dāng)_和線路電壓改變到達(dá)輸出之前有效地抵消了它們。