D類(lèi)放大器的幾大發(fā)展趨勢

D類(lèi)放大器在過(guò)去的幾代產(chǎn)品中已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，系統設計者極大地改善了系統的耐用性并提高了其音頻質(zhì)量。實(shí)際上，對大多應用而言，使用這些放大器所帶來(lái)的好處已經(jīng)遠遠超過(guò)了它們的不足。

　　在傳統D類(lèi)放大器中，用控制器將模擬或數字音頻信號在被集成到功率后端設備中的功率MOSFET管放大之前轉換成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，與傳統的A/B類(lèi)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(wèn)題，解決這些問(wèn)題就是D類(lèi)放大器的發(fā)展新趨勢。

　　降低EMI

　　自從D類(lèi)放大器誕生以來(lái)，由于其自身的軌對軌(rail-to-rail)供電開(kāi)關(guān)特性而引起的大量輻射EMI就一直困擾著(zhù)系統設計者，這將使設備無(wú)法通過(guò)FCC和CISPR認證。

　　在D類(lèi)調制器中，通過(guò)將音頻信號與高頻固定頻率信號比較，并將結果在固定頻率的載波上調制，數字音頻信號被轉換成了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(guò)低通濾波器去掉載頻，恢復出原始基帶音頻信號。

　　雖然這種拓撲結構很有效，但它也導致一些不希望的后果，如大量的輻射EMI。由于調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(kāi)關(guān)特性，過(guò)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調制器發(fā)展的趨勢是采用擴展頻譜調制技術(shù)。

　　擴展頻譜調制技術(shù)用于在更大的帶寬內擴展開(kāi)關(guān)PWM信號的頻譜能量，而不改變原始音頻的內容。一個(gè)改進(jìn)傳統調制器高輻射EMI的有效方法是改變PWM開(kāi)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(lèi)放大器相比，D類(lèi)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，當前D類(lèi)放大器的設計者就必須改進(jìn)其性能。通過(guò)集成高性能采樣率轉換器(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(guò)了100dB。

　　目前，D類(lèi)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D類(lèi)放大器的性能，因為音頻時(shí)鐘是與調制器的輸出時(shí)鐘關(guān)聯(lián)的。

　　解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是采用SRC技術(shù)。因為SRC使用本地穩定的時(shí)鐘源來(lái)同步數字音頻的時(shí)鐘，例如石英晶體振蕩器，所以調制器的輸出抖動(dòng)實(shí)際上與其他音頻時(shí)鐘是獨立的、不相關(guān)的。SRC的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論輸入音頻的采樣率如何波動(dòng)，其輸出開(kāi)關(guān)比率都是固定的，這一點(diǎn)與基于PLL的調制器不同。當音頻輸入源改變或輸入時(shí)鐘缺失時(shí)，SRC也通過(guò)消除可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲改善了系統的耐用性。

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

　　降低系統成本

　　為了追求D類(lèi)放大器更低的成本，設計者在功率放大級采用半橋放大拓撲結構，以達到降低復雜性和減少物料成本的目的。因為半橋結構輸出通常是全橋的一半，功率MOSFET和外部濾波器件的數量也就減少一半。這也增加了后端設備單位功率通道數的數量。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(xiàn)上的噪聲也是極其敏感的。