單端數字音頻放大器設計和應用考慮的要素

　　數字放大器的最大優(yōu)勢之一就是具有設計復用數字數據通路的靈活性。由于信號在經(jīng)由揚聲器再現原音之前一直處于數字域，因而在信號路由方面有很大靈活性。此外，這種靈活性還應用于實(shí)時(shí)或生產(chǎn)線(xiàn)中的填料選擇或固件改變。單端工作(single-ended operation)是數字放大器的一種常規工作方式。本文將討論單端設計基本原理以及相關(guān)的工程權衡。

　　數字放大器一般具有兩級架構，即在脈寬調制(PWM)處理器后接一個(gè)功率級(power stage)，如圖1所示。邏輯級PWM處理器接收的音頻數據通常是IIS格式的。它執行音頻處理并將脈沖碼調制(PCM)數據轉換為PWM數據。通過(guò)IIC總線(xiàn)控制PWM處理器，執行音量變化、音調控制或均衡等其它音頻處理功能。許多PWM處理器還有另一個(gè)關(guān)鍵特性，即改變信號路由的能力(甚至可實(shí)時(shí)進(jìn)行)。這種能力使設計人員可以靈活實(shí)現PCB布線(xiàn)，或使用戶(hù)有能力將內容發(fā)送至不同揚聲器。功率級接收3.3V PWM信號，然后將其轉換為更高電壓，并通過(guò)MOSFET H橋及二階LC濾波器送至揚聲器。

　　包含MOSFET H橋的功率級如圖1所示。在這里，MOSFET用作開(kāi)關(guān)將+V電壓以正/負兩個(gè)極向接到揚聲器。對于將揚聲器接在兩個(gè)MOSFET半橋間的大多數立體聲功率級而言，橋接負載(BTL)是常規架構。單端是指每個(gè)MOSFET半橋驅動(dòng)一個(gè)揚聲器。SE模式的聲道數比BTL模式多一倍，但對給定的輸出負載來(lái)說(shuō)，每聲道功率降低約25%。在SE模式，當PWM信號為“高”時(shí)，+V 電壓正向加至揚聲器；當PWM信號為“低”時(shí)，揚聲器接地。

　　單端數字放大器的工作原理如圖2所示，與線(xiàn)性音頻放大器的單端工作相比沒(méi)有太大差別。其主要區別在于，重構的濾波器(二階LC濾波器)從PWM信號中濾出高頻成分，保留基帶音頻信號。由于揚聲器阻抗具有較大的電感成分，這相當于使一個(gè)高DC電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)電感，并使電流以線(xiàn)性方式增加到一個(gè)很大的值，因而可能對揚聲器造成損壞.

圖1：具有H橋功率級的數字放大器數據通路。

圖2：帶DC阻斷電容架構的單端數字放大器。

為此，可將一個(gè)大電容(DC阻斷電容)放置在放大器和揚聲器之間以濾除DC成分。不過(guò)該電容同時(shí)也會(huì )對較低音頻成分造成衰減，并生成一個(gè)大約1/(2R_sp C)的3dB點(diǎn)，其中R_sp是揚聲器的阻抗。為使更高的頻帶通過(guò)揚聲器，可采用大電容器，但是這要以成本和PCB面積作為代價(jià)。

　　在先前討論的單端架構中，音頻信號以地為參考點(diǎn)。換言之，揚聲器的一端接地。實(shí)現DC阻斷的另一種方式是采用分割電容(split-cap )架構，其中音頻信號以PVDD/2為參考點(diǎn)，見(jiàn)圖3。從AC的角度看，當 C_sm = Cb/2時(shí)，圖2和圖3沒(méi)有區別。如果插入電容，Cs的等效串聯(lián)電阻(ESR)是Cb的兩倍，而音頻和熱性能沒(méi)有變化。

圖3：帶分割電容架構的單端數字放大器。

　　與阻斷電容架構相比，分割模式架構的最大優(yōu)點(diǎn)是增加了電源紋波抑制比(PSRR)。圖4顯示的是TI的TAS5086/5142評估模塊(EVM)實(shí)際測量的PSRR。在該EVM中，TAS5142的功率級是單端架構。

圖4：TAS5086/5142 EVM的單端PSRR性能。

　　SE分割模式架構需要解決另兩個(gè)設計問(wèn)題。如先前提到的，重構濾波器后面的音頻信號有值為PVDD/2的DC成分。若Cs是理想的，則(Cs和Cb)都將被充電至PVDD/2，且沒(méi)有DC成分通過(guò)揚聲器。但是由于兩個(gè)電容都不理想且都有容差，所以DC電壓不會(huì )等于PVDD/2。因此，當音頻信號最初被加至揚聲器時(shí)，將有DC電壓流經(jīng)揚聲器，所以在上電時(shí)會(huì )聽(tīng)到噼啪的噪聲。由于分割電容以時(shí)間常數為RC的固定時(shí)長(cháng)充電，所以會(huì )產(chǎn)生另一個(gè)相關(guān)問(wèn)題。只要MOSFET不在分割電容完成充完之前切換，就不會(huì )引發(fā)這些問(wèn)題。但實(shí)際上這樣做很困難，因而會(huì )產(chǎn)生長(cháng)的噼啪噪音。

　　有一種方案可解決上述兩個(gè)問(wèn)題，即能將電壓快速充至PVDD/2的半橋功率級，例如TAS5186A。該方案具有50%的占空比，DC電壓輸出是PVDD/2，且分割電容可被快速、準確地充電。另一個(gè)快速充電分割電容的方法是利用運放。在沒(méi)有專(zhuān)用半橋時(shí)，采用運放是一種行之有效的辦法。

在實(shí)際應用中，單端放大器音頻性能指標(包括開(kāi)機噪音、信噪比、PSRR和THD+N等)都相當理想，只比BTL的音頻性能稍顯遜色。

作者：Kevin Belnap ；家庭音頻產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理 ；德州儀器