在消費電子設備中發(fā)揮D類(lèi)放大器優(yōu)勢的系統設計方法

在MP3播放器、移動(dòng)電話(huà)、游戲控制臺、LCD TV和家庭影院等各種消費電子音頻應用中，開(kāi)關(guān)放大器或D類(lèi)放大器的重要性迅速提高。D類(lèi)放大器最突出的優(yōu)點(diǎn)是效率非常高，在實(shí)際應用中可高達85～90%，而線(xiàn)性AB類(lèi)放大器在典型的收聽(tīng)水平下的效率通常只能達到25%左右。

在手持應用中，D類(lèi)放大器的低功率耗散特性使得設計工程師可以在保證音頻性能的同時(shí)，延長(cháng)電池的充電間隔時(shí)間。對所有的個(gè)人通訊及音頻設備來(lái)說(shuō)，電池壽命都是一個(gè)關(guān)鍵的性能指標，而對音視頻(AV)產(chǎn)品和游戲控制臺等由電源供電的設備來(lái)說(shuō)，D類(lèi)放大器的高功率效率使得設備可以工作在較低的電源電壓下，并減少發(fā)熱。因此，設計工程師可選用較小的散熱器以縮小產(chǎn)品尺寸，并降低材料成本和裝配成本。事實(shí)上，經(jīng)過(guò)仔細設計的電源可以在無(wú)需加散熱器的情況下，提供每通道高達數瓦的輸出功率。

D類(lèi)放大器解決方案

在D類(lèi)放大器中，音頻信號與開(kāi)關(guān)頻率遠高于音頻范圍的鋸齒波進(jìn)行比較(圖1)，產(chǎn)生一個(gè)與鋸齒波等周期的脈寬調制(PWM)方波。這個(gè)脈寬信號代表音頻信號的一個(gè)樣本。然后，PWM方波及其反相信號驅動(dòng)MOSFET輸出級(通常為H橋),產(chǎn)生經(jīng)過(guò)放大的方波采樣信號。最后，該采樣信號由低通濾波器濾波之后，重新生成經(jīng)過(guò)放大的音頻信號。

由于MOSFET門(mén)電容的存在，提高開(kāi)關(guān)頻率將在輸出級引起更大的損耗，但由于更高的開(kāi)關(guān)頻率可以提高PWM調制器的有效分辨率(與Σ-Δ調制器的過(guò)采樣過(guò)程非常相似)，提高開(kāi)關(guān)頻率也能帶來(lái)了一些好處，例如，可降低對輸出濾波的要求，提高音頻信噪比(SNR)。利用噪聲整形技術(shù)可以進(jìn)一步提高性能。以Wolfson公司的WM8608 D類(lèi)放大器IC為例，當脈沖頻率為384kHz(48kHz采樣速率的8倍)時(shí)，信噪比可達100dB以上(A加權)。

保持內部時(shí)鐘“干凈”至關(guān)重要，因為任何抖動(dòng)都會(huì )引起PWM信號邊緣的定時(shí)發(fā)生隨機變化，這會(huì )在模擬輸出中產(chǎn)生噪聲。因此，這個(gè)時(shí)鐘是通過(guò)片上低噪聲鎖相環(huán)(PLL)，由系統主時(shí)鐘生成的。只要主時(shí)鐘足夠“干凈”，這就可以消除大部分抖動(dòng)。因此，在D類(lèi)放大器IC的內部直接生成主時(shí)鐘也是可行的。這種方式將通過(guò)保持振蕩器和片上PLL之間的連接，來(lái)防止來(lái)自開(kāi)關(guān)輸出級或其它地方的干擾影響時(shí)鐘信號的質(zhì)量。此外，它不需要外部PLL濾波元件。為了使噪聲不影響為PLL供電的3.3V模擬電源，可在緊靠電源引腳的地方放置一個(gè)去耦濾波器。

圖1：D類(lèi)放大器具有兩個(gè)輸出級：第一級為將PCM輸入轉變成調制方波的比較器；第二級為輸出端帶有低通濾波器的半橋轉換器。

功率級設計

功率橋(圖2)的設計依賴(lài)于放大器的期望輸出功率。例如，目前市面上已經(jīng)有帶耳機驅動(dòng)器的D類(lèi)放大器IC，以及帶揚聲器驅動(dòng)器的D類(lèi)放大器IC，輸出級設計是這些配置的主要差別之一。為驅動(dòng)揚聲器而設計的放大器可以提供從低于1瓦到高達數瓦的輸出功率，且無(wú)需散熱器。利用這些IC，可以為從便攜式媒體播放器(PMP)到游戲控制臺和一些LCD TV等許多消費電子應用提供單芯片解決方案。對于上述大部分應用(特別是手持產(chǎn)品)來(lái)說(shuō)，單芯片方案是不可缺的。

但為獲得非常高的輸出功率，可以把D類(lèi)調制器IC與采用快速開(kāi)關(guān)型功率MOSFET的外部輸出級相結合。它們可以采用分立元件，也可以集成在一個(gè)單獨的IC中。調制器必須提供一個(gè)相配的前置驅動(dòng)器，而輸出級MOSFET必須針對數字音頻操作而經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計。功率MOSFET的導通電阻R_on會(huì )發(fā)熱并降低功率效率，因此該電阻應盡可能小。為盡量減少用來(lái)驅動(dòng)MOSFET的電平轉換器中的功率消耗和發(fā)熱，還應減小MOSFET門(mén)電容。出于同樣的考慮，減小電平轉換器的輸入電容也很重要。門(mén)電容高也將導致RC延遲，最終降低晶體管的開(kāi)關(guān)速度。

一個(gè)不太明顯的潛在問(wèn)題是晶體管之間開(kāi)關(guān)特性的匹配。例如，如果一個(gè)NMOS器件的導通速度比其對應PMOS器件的關(guān)斷速度快得多，那么兩個(gè)器件的導通時(shí)間可能會(huì )在信號邊緣出現一小段重疊。當兩個(gè)器件同時(shí)導通時(shí)，電源本質(zhì)上是短路的，導致功率效率降低，熱耗散增加，并且有可能使電源電壓驟降而造成音頻信號失真。為保持信號完整性，輸出級(功率MOSFET和電平轉換器)的開(kāi)關(guān)延遲應該小于最小PWM脈沖寬度。

有一些廠(chǎng)商提供可直接連接到D類(lèi)調制器IC輸出端的集成式輸出級。這些通常每個(gè)通道包含4個(gè)匹配的功率MOSFET的輸出級也能完成PWM信號的電平變換：將放大器輸出端的3.3V轉換成能夠控制功率器件的更高電壓。

圖2：帶有半橋式輸出級的D類(lèi)放大器，但全H橋配置也很常見(jiàn)。