數字放大器的單端設計

數字放大器最大優(yōu)點(diǎn)之一是其具備設計復用的數字數據通路的靈活性。因為信號在到達揚聲器之前是保持在數字域的，所以在信號路由方面具有更大的靈活性。這種靈活性同時(shí)也能處理開(kāi)發(fā)過(guò)程中和生產(chǎn)過(guò)程的填料選擇和/或固件變更。數字放大器有一個(gè)被稱(chēng)為單端工作的常規模式。本文描述了單端設計基礎和工程相關(guān)的權衡考慮。

通常，數字放大器具有兩級架構。如圖1所示，脈沖寬度調制(PWM)處理器后緊隨著(zhù)功率級。邏輯級的PWM處理器通常接收IIS格式的音頻數據。它執行音頻處理并將脈沖編碼調制(PCM)數據轉換成PWM數據。一般情況下，通過(guò)I²C總線(xiàn)控制PWM處理器以改變音量、語(yǔ)音控制或諸如均衡等其他音頻處理功能。大多數PWM處理器還具有另一個(gè)主要特征，即能改變信號路由，甚至是在運行過(guò)程中。這允許設計者能靈活地設計PCB布線(xiàn)，或允許用戶(hù)將音頻內容發(fā)送到不同的揚聲器。功率級將接收到的3.3V PWM信號轉換成高壓信號，并通過(guò)MOSFET H橋和二階LC濾波器將其供給揚聲器。

包含MOSFET H橋的功率級如圖1所示。這里是將MOSFET用作開(kāi)關(guān)，使得+V電壓能通過(guò)正/負向跨接到揚聲器。對于將揚聲器連接在兩個(gè)MOSFET半橋之間的大多數立體聲功率級而言，橋接負載(BTL)是標準的配置。單端(SE)是指每個(gè)揚聲器由單個(gè)MOSFET半橋驅動(dòng)。相對BTL而言，SE的通道總數是其兩倍；但對于特定的輸出負載，SE各通道的功率約為其25%。在SE模式中，當PWM信號為高電平時(shí)，接到揚聲器上的+V電壓是正向的；而PWM信號為低電平時(shí)，表示揚聲器接地。

數字放大器的單端工作模式如圖2所示，這與線(xiàn)性音頻放大器的單端工作并無(wú)太大差別。主要的區別在于重建濾波器(二階LC濾波器)把PWM信號中的高頻成分濾出，而只保留基帶音頻信號。直接將音頻信號供至揚聲器將導致一個(gè)很大的直流電壓加在揚聲器上，其值等于PVDD/2。由于揚聲器阻抗具有很大的感抗成分，這相當于在電感兩端加載了一個(gè)很大的DC電壓，會(huì )導致電流直線(xiàn)上升至非常大值，進(jìn)而可能損壞揚聲器。因此，在放大器與揚聲器之間放置一個(gè)大電容以濾掉DC成分。但是，該電容也會(huì )使較低音頻成分產(chǎn)生衰減并在約為1/(2πR_spC)時(shí)出現3dB點(diǎn)，其中Rsp是揚聲器的阻抗。為了使更多的頻率帶寬通過(guò)揚聲器，須使用更大電容值的電容，但這要以成本和PCB面積為代價(jià)。

在上述的單端配置中，音頻信號以地為參考點(diǎn)。換言之，揚聲器的一端是接地的。隔離DC的另一方法是使用分離電容(split-cap)配置(如圖3所示)，因此音頻信號此時(shí)的參考電壓是PVDD/2。從交流(AC)的角度來(lái)說(shuō)，當C_sm=C_b/2時(shí)，圖2和圖3就沒(méi)有區別。額外插入電容時(shí)，C_s的半額定電流是C_b的一半，且C_s的等效串聯(lián)電阻(ESR)是C_b的兩倍，而音頻或溫度性能無(wú)任何變化。

圖1：具有H橋功率級的數字放大器數據通路

圖2：帶直流隔離電容配置的單端數字放大器

圖3：帶分離電容配置的單端數字放大器

與隔離電容配置相比較，分離模式配置的最大優(yōu)點(diǎn)是增加了電源紋波抑制比(PSRR)。圖4所示的曲線(xiàn)為TI的TAS5086/5142評估模塊(EVM)的PSRR測量值。在該EVM中，TAS5142評估板的功率級被配置成單端模式。也許有人會(huì )對一個(gè)開(kāi)環(huán)單端放大器能具有如此高的PSRR感到奇怪。事實(shí)的原因是，PVDD的電壓變化(ΔPVDD)都處于分離電容的中點(diǎn)(都為ΔPVDD/2)，從而使得經(jīng)過(guò)揚聲器的PVDD變化被抵消掉了。

圖4：TI TAS5086/5142 EVM的單端PSRR曲線(xiàn)

SE分離模式的配置還需要解決下面兩個(gè)設計問(wèn)題。如前所述，經(jīng)過(guò)重建濾波后的音頻信號有一個(gè)大小為PVDD/2的DC成分。若電容C_s是理想的，則兩電容的電壓都可充至PVDD/2，且沒(méi)有DC成分流經(jīng)揚聲器。然而，由于兩個(gè)電容不是理想的且存在偏差，所以直流電壓值并不等于PVDD/2。因此，上電后當音頻信號傳至揚聲器時(shí)，將會(huì )有一個(gè)DC電壓通過(guò)揚聲器，從而導致“劈啪”聲。由于分離電容的充電時(shí)間為RC所決定的時(shí)間常數所限定，所以會(huì )導致另一個(gè)相關(guān)的問(wèn)題。雖然，在分離電容充完電之前只要MOSFET不產(chǎn)生開(kāi)關(guān)動(dòng)作，該問(wèn)題便不會(huì )發(fā)生。但實(shí)際應用中這一點(diǎn)卻很難實(shí)現，因此會(huì )產(chǎn)生很大的“劈啪”聲。

針對上述兩個(gè)問(wèn)題的解決方案是帶有一個(gè)專(zhuān)用于實(shí)現快速充電到PVDD/2的半橋的功率級，這在TAS5186A上已經(jīng)實(shí)現。其特點(diǎn)是具有50%的占空比，DC電壓輸出是PVDD/2，分離電容能進(jìn)行快速、準確的充電。另一個(gè)給分離電容快速充電的方法是使用運算放大器。當沒(méi)有專(zhuān)用的半橋時(shí)，采用運算放大器是一個(gè)行之有效的方法。

實(shí)際應用中，包括上電“劈啪”聲、SNR、PSRR、總諧波失真+噪聲(THD+N)在內的單端放大器的音頻性能數據是相當好的，只比BTL的音頻性能稍為遜色。