采用Ｄ類放大器ＩＣ設(shè)計

開關(guān)放大器或D類放大器在消費(fèi)類電了產(chǎn)品設(shè)計中的作用迅速顯現(xiàn)，包括MP3設(shè)備、移動電話、游戲機(jī)、LCD電視和家庭影院等應(yīng)用領(lǐng)域，D類音頻放大器已經(jīng)成為其音頻系統(tǒng)的首選解決方案。D類放大器的優(yōu)勢是非常高的效率，實際應(yīng)用中可以高達(dá)85％到90％。而通常線性AB類放大器的效率在25％左右，因此能實現(xiàn)更長的電池壽命和更緊湊的外形尺寸。然而，設(shè)計師必須小心地避免增加系統(tǒng)中其他地方的復(fù)雜性，包括電源、輸出濾波處理和輸入信號調(diào)理。

在下持應(yīng)用中，D類放大器的低功牦特性允許設(shè)計師實現(xiàn)高的音頻性能，同時延長電池充電間隔時間。電池壽命是所有個人通信和音頻設(shè)備的關(guān)鍵性能參數(shù)。對下交流供電的設(shè)備，例如AV產(chǎn)品和游戲機(jī)，D類放大器高的功效帶來低散熱的優(yōu)勢。因為設(shè)計師可以采用更小的散熱器來獲得更小的外形尺寸以及低的材料成本和組裝成本。事實上，通過認(rèn)真的電源設(shè)計，對于每聲道輸出功率為幾瓦的應(yīng)用來說，可以取消散熱器。

放大器芯片方案

D類放大器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個脈寬調(diào)制器、一個電源橋輸出電路和一個低通濾波器組成。市場上已有現(xiàn)成的D類放大器可用，這減少了大量的設(shè)計工作，例如對放大器開關(guān)產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)管理以及選擇最佳的開關(guān)頻率。增加開關(guān)頻率減少了輸出濾波要求，但是導(dǎo)致因為MOSFET柵極電容產(chǎn)生的更大損耗。因此開關(guān)頻率選擇需要在外部器件和電源頻率之間進(jìn)行平衡。電源橋的設(shè)計取決于放大器的期望輸出功率。例如，D類放大器IC可以用于耳機(jī)驅(qū)動電路或者喇叭驅(qū)動電路，這些不同配置之間關(guān)鍵的差異是輸出級設(shè)計的小同。設(shè)計用于喇叭的放大器能產(chǎn)生不到1W的功率到若干瓦的輸出功率，不需要采用散熱器。這些IC使得在很多消費(fèi)應(yīng)用中能實現(xiàn)單芯片解決方案，例如從便攜式媒體播放器到游戲機(jī)和一些LCD電視。對于大部分的這些應(yīng)用，尤其是手持產(chǎn)品，單芯片方案是十分必要的。

然而，對于高輸出功率，D類放大器IC可以結(jié)合用音頻功率MOSFET構(gòu)建的外部輸出級來實現(xiàn)。放大器IC必須提供合適的預(yù)驅(qū)動，所選擇的分離MOSFET必須是專門針對數(shù)字音頻進(jìn)行過優(yōu)化。

濾波處理

D類MOSFET半橋輸出是音頻信號的正弦波描述。開關(guān)頻率成分必須被衰減以避免干擾以及確保終端產(chǎn)品通過電磁兼容(EMC)認(rèn)證。需要關(guān)斷頻率僅僅高于可聽頻段的低通濾波處理，因為這些成分的衰減比更高的開關(guān)頻率更大。這樣可以采用更小的外部濾波器件。另一方面，隨著頻率的增加，MOSFET損耗會增加，從而降低效率，導(dǎo)致功耗增加以及相關(guān)的熱管理問題。特別是因為MOSFET柵極電容導(dǎo)致的開關(guān)損耗將隨工作頻率的增加線性增加。因此D類放大器IC輸出級的設(shè)計是在制造低損耗MOSFET時實現(xiàn)的，并將開關(guān)頻率設(shè)置為足夠低以滿足規(guī)定的電磁干擾(EMI)目標(biāo)。

到喇叭的連接中不使用濾波器對于尺寸和成本敏感的應(yīng)用來說，是很明顯的優(yōu)勢，例如蜂窩手機(jī)的喇叭。當(dāng)D類輸出與喇叭靠近的時候，喇叭線圈的寄生阻抗和感抗可以當(dāng)成合適的R—L低通濾波器，這樣在每個輸出連接上可以取消用作濾波的一個電容和電感。D類放大器用于無濾波配置的一個實例是歐勝公司的WM8960。如果放大器輸出到喇叭的距離比較遠(yuǎn)的話，需要采用小電感來提高EMC性能，例如磁珠。圖l比較了采用磁珠和未采用磁珠的耳機(jī)驅(qū)動電路輸出。

電源設(shè)計

設(shè)計師采用D類放大器IC還必須比線性放大器更加注意電源對音頻輸出質(zhì)量的影響。因為D類放大器輸出是一種開關(guān)級，實際上是將電源軌直接連接到音頻輸出，電源上的聲頻帶波動將對輸出信號進(jìn)行直接調(diào)制。設(shè)計師因此必須確保在音頻帶上高的負(fù)載調(diào)節(jié)，或者采取措施消除交流電源影響或音頻段紋波。

很多制造商提供浮動穩(wěn)壓器，必要時可以加在現(xiàn)有的電源上來改善負(fù)載調(diào)節(jié)。每個穩(wěn)壓器輸出用一個分離的穩(wěn)壓器還有降低音頻聲道之間串?dāng)_的額外好處。然而，額外的穩(wěn)壓器或一對穩(wěn)壓器將增加整體實現(xiàn)成本。此外，穩(wěn)壓器的功耗還部分的消除了D類放大器所實現(xiàn)的效率增益。

或者，增加放大器的電源抑制比(PSRR)將減少音頻輸出信號上的負(fù)載調(diào)節(jié)效應(yīng)。增加從PWM輸出到模擬音頻輸入的反饋將通過補(bǔ)償電源電壓變化來提高PSRR。這可以獲得高達(dá)近80dB的PSRR值，這非常接近便攜式應(yīng)用中的微分AB類放大器的PSRR值。然而，如果D類放大器輸入信號是純數(shù)字音頻，則不能使用這種方法。全數(shù)字D類放大器的PSRR為0dB，設(shè)計師必須確保電源電壓的精確穩(wěn)壓。

還必須考慮電源的瞬態(tài)性能。為準(zhǔn)確重現(xiàn)PWM波形，電源必須對電流吸收的瞬間變化做出快速反應(yīng)。線性放大器在這方面沒有那么苛刻的要求，因為輸出級的帶寬受限于音頻范圍。對于用于D類放大器的電源，因為較差的瞬態(tài)響應(yīng)帶來的音頻段之外的電壓波動將對PWM信號進(jìn)行調(diào)制，引入諧波失真，這種失真在音頻輸出中可以聽到。

當(dāng)然，高電容值的電容可以用來解決這種波動。然而，因為電容在尺寸上比較大，因此不適合在手持設(shè)備中使用。從另一方面來說，高電容值、尺寸小的電容通常很貴。

在微分輸出級中應(yīng)用MOSFET的一種有效的方法是以不同的時間開關(guān)，這樣可以減少峰值電源電流。例如，歐勝的5到7．1聲道數(shù)字功率放大器控制器WM8608具有內(nèi)置的“PWM輸出相位”功能，可以對每個輸出聲道的PWM信號引入160ns的延時。這具有在PWM周期中擴(kuò)展開關(guān)瞬態(tài)的效果，如圖2所示，盡管增加的160ns延時對于要產(chǎn)生可以聽出差異的輸出來說太短。在一個具有六個聲道的多聲道系統(tǒng)中，這種方法大大地消除了最大的瞬態(tài)負(fù)載電流，并降低了串?dāng)_。

開關(guān)電源和開關(guān)放大器

開關(guān)電源的一個潛在的顧慮是因為快速的大電流開關(guān)產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。當(dāng)開關(guān)電源和開關(guān)放大器以不同開關(guān)頻率工作在同一個系統(tǒng)中時，這個問題進(jìn)一步惡化。互調(diào)將產(chǎn)生在輸出中可能聽得到的干擾音。將電源開關(guān)與D類PWM調(diào)制器的開關(guān)同步將能消除這種效應(yīng)。例如，歐勝公司的WM8608能與集成的或分離的開關(guān)輸出級兼容，是目前市面上唯一能提供這種同步功能的PWM控制器。

或者，D類放大器可以通過一個線性穩(wěn)壓電源來供電，這對于那些低成本的應(yīng)用來說這非常具有吸引力。然而，通常工程師更愿意采用開關(guān)電源，因為可獲得非常相近的效率和非常小尺寸的優(yōu)勢，這些都促進(jìn)了D類放大器在消費(fèi)音頻產(chǎn)品中的應(yīng)用。