D類(lèi)音頻放大器概念及其設計原理和方法

　　具有環(huán)形電感器磁芯的LC濾波器可將放大器電流導致的雜散現場(chǎng)輸電線(xiàn)影響減至最小。在成本和EMI性能之間的一種好的折衷方法是通過(guò)屏蔽減小來(lái)自低成本鼓形磁芯的輻射，如果注意可保證這種屏蔽可接受地降低電感器線(xiàn)性和揚聲器音質(zhì)。

　　LC濾波器設計

　　為了節省成本和PCB面積，大多數D類(lèi)放大器的LC濾波器采用二階低通設計。圖3示出一個(gè)差分式二階LC濾波器。揚聲器用于減弱電路的固有諧振。盡管揚聲器阻抗有時(shí)近似于簡(jiǎn)單的電阻，但實(shí)際阻抗比較復雜并且可能包括顯著(zhù)的無(wú)功分量。要獲得最佳濾波器設計效果，設計工程師應當總是爭取使用精確的揚聲器模型。

　　常見(jiàn)的濾波器設計選擇目的是為了在所需要的最高音頻頻率條件下將濾波器響應下降減至最小以獲得最低帶寬。如果對于高達20 kHz頻率，要求下降小于1 dB，則要求典型的濾波器具有40 kHz巴特沃斯（Butterworth）響應（以達到最大平坦通帶）。對于常見(jiàn)的揚聲器阻抗以及標準的L值和C值，下表給出了標稱(chēng)元器件值及其相應的近似Butterworth響應：

　　如果設計不包括揚聲器反饋，揚聲器THD會(huì )對LC濾波器元器件的線(xiàn)性度敏感。

　　電感器設計考慮因素：設計或選擇電感器的重要因素包括磁芯的額定電流和形狀，以及饒線(xiàn)電阻。

　　額定電流：選用磁芯的額定電流應當大于期望的放大器的最高電流。原因是如果電流超過(guò)額定電流閾值并且電流密度太高，許多電感器磁芯會(huì )發(fā)生磁性飽和，導致電感急劇減小，這是我們所不期望的。

　　通過(guò)在磁芯周?chē)埦€(xiàn)而形成電感器。如果饒線(xiàn)匝數很多，與總饒線(xiàn)長(cháng)度相關(guān)的電阻很重要。由于該電阻串聯(lián)于半橋和揚聲器之間，因而會(huì )消耗一些輸出功率。如果電阻太高，應當使用較粗的饒線(xiàn)或選用要求饒線(xiàn)匝數較少的其它金屬材質(zhì)的磁芯以提供需要的電感。

　　最后，不要忘記所使用的電感器的形狀也會(huì )影響EMI，正如上面所提到的。

　　系統成本

　　在使用D類(lèi)放大器的音頻系統中，有哪些重要因素影響其總體成本？ 我們怎樣才能將成本減至最低？

　　D類(lèi)放大器的有源器件是開(kāi)關(guān)輸出級和調制器。構成該電路的成本大致與模擬線(xiàn)性放大器相同。真正需要考慮的折衷是系統的其它元器件。

　　D類(lèi)放大器的低功耗節省了散熱裝置的成本（以及PCB面積），例如，散熱片或風(fēng)扇。D類(lèi)集成電路放大器可采用比模擬線(xiàn)性放大器尺寸小和成本低的封裝。當驅動(dòng)數字音頻源時(shí)，模擬線(xiàn)性放大器需要數模轉換器（DAC）將音頻信號轉換為模擬信號。對于處理模擬輸入的D類(lèi)放大器也需如此轉換，但對于數字輸入的D類(lèi)放大器有效地集成了DAC功能。

　　另一方面，D類(lèi)放大器的主要成本缺點(diǎn)是LC濾波器。LC濾波器的元器件，尤其是電感器，占用PCB面積并且增加成本。在大功率放大器中，D類(lèi)放大器的總體系統成本仍具有競爭力，因為在散熱裝置節省的大量成本可以抵消LC濾波器的成本。但是在低成本、低功耗應用中，電感器的成本很高。在極個(gè)別情況下，例如，用于蜂窩電話(huà)的低成本放大器，放大器IC的成本可能比LC濾波器的總成本還要低。即使是忽略成本方面的考慮，LC濾波器占用的PCB面積也是小型應用中的一個(gè)問(wèn)題。

　　為了滿(mǎn)足這些考慮，有時(shí)會(huì )完全取消LC濾波器，以采用無(wú)濾波放大器設計。這樣可節省成本和PCB面積，雖然失去了低通濾波器的好處。如果沒(méi)有濾波器，EMI和高頻功耗的增加將會(huì )不可接受，除非揚聲器采用電感式并且非?？拷糯笃?，電流環(huán)路面積最小，而且功率水平保持很低。盡管這種設計在便攜式應用中經(jīng)常采用，例如，蜂窩電話(huà)，但不適合大功率系統，例如，家庭音響。

　　另一種方法是將每個(gè)音頻通道所需要的LC濾波器元器件數減至最少。這可以通過(guò)使用單端半橋輸出級實(shí)現，它需要的電感器和電容器數量是差分全橋電路的一半。但如果半橋輸出級需要雙極性電源，那么與產(chǎn)生負電源相關(guān)的成本可能就會(huì )過(guò)高，除非負電源已經(jīng)有一些其它目的，或放大器有足夠多的音頻通道，以分攤負電源成本。另外，半橋也可從單電源供電，但這樣會(huì )降低輸出功率并且經(jīng)常需要使用一個(gè)大的隔直流電容器。

　　ADI公司D類(lèi)放大器

　　剛才討論的所有設計問(wèn)題可以歸結到一個(gè)要求相當嚴格的項目。為了節省設計工程師的時(shí)間，ADI公司提供各種D類(lèi)放大器IC1，它們含有可編程增益放大器、調制器和功率輸出級。為了簡(jiǎn)化評估，ADI公司為每種類(lèi)型的放大器提供了演示板。這些演示板的PCB布線(xiàn)和材料清單可以作為切實(shí)可行的參考設計，從而幫助客戶(hù)迅速設計經(jīng)過(guò)驗證、經(jīng)濟有效的音頻系統而無(wú)須為解決D類(lèi)放大器主要設計問(wèn)題做“重復性的工作”。

　　例如，可以考慮使用AD1990，AD1992，AD1994和AD1996雙放大器IC系列產(chǎn)品，它們適合要求兩個(gè)通道每通道輸出達到5，10，25和40 W的中等功率的立體聲或單聲道應用。下面是這些IC的一些特性：

　　AD1994 D類(lèi)音頻功率放大器包含兩個(gè)可編程增益放大器、兩個(gè)Σ-Δ調制器和兩個(gè)功率輸出級以在家庭影院、汽車(chē)和PC音頻應用中驅動(dòng)全H橋連接的負載。它產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)波形可驅動(dòng)兩個(gè)25 W立體聲揚聲器，或一個(gè)50 W單聲道揚聲器，具有90%的效率。其單端輸入施加到一個(gè)增益可設置為0，6，12和18 dB的可編程增益放大器（PGA），以處理低電平信號。

　　AD1994具有集成保護以防止輸出級受到過(guò)熱、過(guò)流和沖擊電流的危害。由于其特殊的時(shí)序控制、軟啟動(dòng)和DC失調校準，與靜音相關(guān)的咔嗒聲很微小。其主要性能指標包括0.001% THD，105 dB動(dòng)態(tài)范圍，大于60 dB的PSR，以及采用開(kāi)關(guān)輸出級連續時(shí)間反饋和優(yōu)化的輸出級柵極驅動(dòng)器。其1 bit Σ-Δ調制器尤其為D類(lèi)應用增強以達到500 kHz平均數據頻率，對于90%調制具有高環(huán)路增益，以及全調制穩定性。獨立調制器方式允許驅動(dòng)外部的大輸出功率場(chǎng)效應管（FET）。

　　AD1994對于PGA、調制器和數字邏輯采用5 V電源，對于開(kāi)關(guān)輸出級采用8 V～20 V高電壓電源。相關(guān)的參考設計滿(mǎn)足FCC B類(lèi)EMI標準要求。當以5 V和12 V電源驅動(dòng)6Ω負載時(shí)，其靜態(tài)功耗為487 mW，在2×1 W輸出功率條件下功耗為710 mW，在待機方式下功耗為0.27 mW。AD1994采用64引腳LFCSP封裝，工作溫度范圍為–40℃～+85℃。