多種技術(shù)破解電磁干擾難題 D類(lèi)放大器市場(chǎng)前景看好

　　主持人 馮曉偉

　　特邀嘉賓

　　ADI公司便攜式音頻產(chǎn)品部市場(chǎng)經(jīng)理 張揚

　　華潤矽威科技（上海）有限公司系統應用部經(jīng)理　王新成

　　美國國家半導體亞太區市場(chǎng)經(jīng)理 郭俊杰

　　美信集成產(chǎn)品公司中國區市場(chǎng)傳播及應用支持經(jīng)理　魏智

　　恩智浦半導體多重市場(chǎng)產(chǎn)品部大中華區高級市場(chǎng)經(jīng)理　張秋明

　　安森美半導體數字及消費產(chǎn)品部低壓電源管理產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理　林欣欣

　　羅姆微電子集團模擬技術(shù)專(zhuān)家

　　德州儀器中國區高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理　張洪為

　　編者按：隨著(zhù)便攜式消費類(lèi)產(chǎn)品日漸滲入生活的各個(gè)領(lǐng)域，模擬器件家族的重要成員—— D類(lèi)放大器的應用日益廣泛。與其他類(lèi)別的放大器相比，D類(lèi)放大器的優(yōu)勢何在，發(fā)展前景如何？就技術(shù)而言，D類(lèi)放大器應用了哪些關(guān)鍵技術(shù)，有哪些技術(shù)瓶頸尚待突破？模擬器件主流廠(chǎng)商在D類(lèi)放大器領(lǐng)域各自的優(yōu)勢何在，其技術(shù)有何特色？針對這些問(wèn)題，《中國電子報》邀請業(yè)內知名企業(yè)人士進(jìn)行了探討。

　　效率優(yōu)勢明顯

　　●功耗低符合節能環(huán)保要求

　　●散熱少縮減電路板尺寸

　　張洪為　　A類(lèi)放大器使用一只晶體管作為直流電流源，能夠提供揚聲器需要的最大音頻電流，其輸出級可以提供優(yōu)良的音質(zhì)，但功耗非常大，因為通常有很大的直流偏置電流流過(guò)輸出級晶體管，而沒(méi)有提供給揚聲器。

　　B類(lèi)放大器沒(méi)有直流偏置電流，所以功耗大大減少。其輸出晶體管是以推拉方式獨立控制，從而允許高端晶體管為揚聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負電流。由于只有信號電流流過(guò)晶體管，因而減少了輸出級功耗。但是B類(lèi)放大器電路的音質(zhì)較差，因為當輸出電流過(guò)零點(diǎn)和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時(shí)會(huì )造成線(xiàn)性誤差。

　　AB類(lèi)放大器是A類(lèi)放大器和B 類(lèi)放大器的折中，它也使用直流偏置電流，但它遠小于單純的A類(lèi)放大器。小的直流偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質(zhì)，其功耗介于A(yíng)類(lèi)放大器和 B類(lèi)放大器之間，也需要一些控制電路以使其提供或吸收大的輸出電流。遺憾的是，即使是精心設計AB類(lèi)放大器也有很大的功耗。

　　D類(lèi)放大器由于具有不同的拓撲結構，其功耗遠小于上述任何一類(lèi)放大器。D類(lèi)放大器的輸出級在正電源和負電源之間切換從而產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因為當輸出晶體管在不導通時(shí)具有零電流，并且在導通時(shí)具有很低的電壓，因而功耗較低。

　　魏 智大多數音頻系統設計工程師都非常清楚，D類(lèi)放大器與線(xiàn)性音頻放大器相比，在功效上有相當的優(yōu)勢。對于線(xiàn)性放大器來(lái)說(shuō)，偏置元件和輸出晶體管的線(xiàn)性工作方式會(huì )損耗大量功率。因為D類(lèi)放大器的晶體管只是作為開(kāi)關(guān)使用的，用來(lái)控制流過(guò)負載的電流方向，所以輸出級的功耗極低。D類(lèi)放大器的功耗主要來(lái)自輸出晶體管導通阻抗、開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)電流開(kāi)銷(xiāo)，放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類(lèi)放大器對散熱器的要求大為降低，甚至可省掉散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應用。

　　過(guò)去，基于PWM（脈寬調制）方式的典型D類(lèi)放大器需要外部濾波元件，會(huì )產(chǎn)生 EMI（電磁干擾）問(wèn)題，并且“THD+N”（總諧波失真+噪聲）性能較差，因此與線(xiàn)性放大器相比，它的高效優(yōu)勢大為失色。然而，最新一代的D類(lèi)放大器采用先進(jìn)的調制和反饋技術(shù)，可很好地緩解上述難題。

　　張秋明　　與AB類(lèi)放大器相比，D類(lèi)放大器最大的優(yōu)點(diǎn)是效率高：一般AB類(lèi)放大器的效率不超過(guò)40%，而D類(lèi)放大器通?？梢赃_到80%以上，最高可以超過(guò)90%.由于其高效率，D類(lèi)放大器體積可以做得很小，便于采用較小的封裝，在中小功率產(chǎn)品中，基本上不需要外加散熱器。

　　目前同等功率的D類(lèi)放大器單顆芯片價(jià)格要比AB類(lèi)貴，但是由于不需要散熱片，在一些大功率應用比如組合音響、家庭影院上，D類(lèi)和AB類(lèi)總成本比較接近。另外，采用D類(lèi)放大器還可以節省電源成本和能源消耗，符合節能環(huán)保趨勢。

　　林欣欣　　D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)結構是比AB類(lèi)放大器更優(yōu)勝的地方，但這也造就了它的缺點(diǎn)，即EMI的問(wèn)題。人耳的聽(tīng)力范圍介于200Hz至20kHz之間，D類(lèi)放大器PWM信號的開(kāi)關(guān)頻率一般要高于這個(gè)范圍，因此終端用戶(hù)聽(tīng)不到PWM頻率噪聲。但是，當開(kāi)關(guān)信號及其高頻諧波被傳播至PCB（印制電路板）上時(shí)，它可能與系統中的射頻（RF）電路產(chǎn)生干擾。所以為了盡量減少任何潛在EMI問(wèn)題所帶來(lái)的影響，必須審慎地進(jìn)行EMI濾波和做好布線(xiàn)預防措施。

　　通常來(lái)講，D類(lèi)放大器的“總諧波失真+噪聲”額定值低于0.1%，而AB類(lèi)通常低于0.01%.但對大多數擴音器應用而言，D類(lèi)放大器的輸出聲音質(zhì)量都可接受。只不過(guò)在頭戴式耳機應用中，由于音頻輸出接近人耳，需要高保真的音頻質(zhì)量，所以，AB類(lèi)放大器仍是設計的首選。

　　D類(lèi)放大器調制音頻信號采用的是PWM信號，而PWM信號是由電源電壓進(jìn)行偏置。D類(lèi)放大器的額定電源抑制比（PSRR）可用于衡量這類(lèi)放大器由電源電壓波動(dòng)產(chǎn)生失真的程度。設計人員應選具有較佳PSRR的D類(lèi)放大器。

　　王新成　　AB類(lèi)放大器采用了運算放大器的結構，由誤差校正、電壓放大和電流放大三部分組成，使用的全部是線(xiàn)性器件。D類(lèi)放大器是由三角波產(chǎn)生器、積分器、比較器和電流開(kāi)關(guān)組成，使用的是脈沖數字電路，幾乎全部是非線(xiàn)性器件。AB類(lèi)放大器具有良好的性能指標和更好的音質(zhì)。D類(lèi)放大器有很高的效率和明快的中高音，但存在EMI問(wèn)題。D類(lèi)放大器更適合于便攜式電子產(chǎn)品、平板電視和有源音箱。但目前由于價(jià)格高于A(yíng)B類(lèi)放大器，應用沒(méi)有AB類(lèi)廣泛。

　　羅姆專(zhuān)家以前的揚聲器放大器以AB類(lèi)為代表的模擬方式為主流產(chǎn)品。此方式中，電源功率大部分提供給內部電路的偏置，以使輸出三極管工作在線(xiàn)性區域，因此功率損失較大，從而產(chǎn)生較大的發(fā)熱量（無(wú)用的能量）。因此，在成品當中，作為高發(fā)熱量的對策，都必須采用大型散熱片或散熱風(fēng)扇。針對這種現象，D類(lèi)放大器中給揚聲器負載提供電流的輸出三極管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功率損失非常小，因此，D類(lèi)放大器具有發(fā)熱量小的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。

　　張 揚　 能夠使用線(xiàn)性放大器的任何場(chǎng)合都可以使用D類(lèi)放大器。不過(guò)，D類(lèi)放大器功耗更低，產(chǎn)生的熱量更少，不僅能夠減小電路板尺寸，降低成本，并能延長(cháng)便攜式系統的電池壽命，因此，在應用中具有明顯優(yōu)勢。

　　D類(lèi)放大器采用了最新的技術(shù)，成本比線(xiàn)性放大器略高，但其價(jià)格正在下降。由于D類(lèi)放大器功耗較低，因此省去了與散熱器、風(fēng)扇或其他冷卻設備相關(guān)的成本（與空間）。此外，當利用數字信號源進(jìn)行驅動(dòng)時(shí)，線(xiàn)性放大器需要數模轉換器（DAC）將數字音頻信號轉換為模擬格式，而數字輸入的D類(lèi)放大器有效集成了DAC功能，進(jìn)一步減小了成本與PCB面積。

　　應用領(lǐng)域逐漸拓寬

　　●便攜式產(chǎn)品應用盡顯優(yōu)勢

　　●平板電視領(lǐng)域前景看好

　　郭俊杰 D類(lèi)放大器屬于揚聲器專(zhuān)用的放大器，其典型應用領(lǐng)域是音樂(lè )手機等便攜式多媒體設備，此外還有汽車(chē)音頻系統、數字電視、超便攜電腦（UMPC）以及剛剛興起的MID（移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設備）等。

　　林欣欣　　近年來(lái)，在延長(cháng)電池工作時(shí)間和音樂(lè )播放時(shí)間等市場(chǎng)需求的帶動(dòng)下，手機已經(jīng)從采用AB類(lèi)放大器轉向D類(lèi)放大器。目前仍有一大部分的手機采用AB類(lèi)放大器作為揚聲器放大器，尤其是那些揚聲器主要用作鈴聲的手機，放大器所消耗的電流極小，且持續時(shí)間短。在這類(lèi)手機中，D類(lèi)放大器可能沒(méi)有太多的優(yōu)勢。但對其他有免提揚聲器、MP3播放器、流視頻和移動(dòng)電視等諸多音頻播放功能的手機來(lái)說(shuō)，D類(lèi)放大器能夠延長(cháng)電池工作時(shí)間，優(yōu)勢不言而喻。近年來(lái)，中國的音頻設計人員已具備較高的系統設計技術(shù)水平，能夠采用D類(lèi)放大器進(jìn)行“無(wú)噪聲”設計。

　　由于D類(lèi)放大器需要的散熱面積較小，它將有助于減小散熱片尺寸，幫助實(shí)現小巧纖薄的音頻終端設計。在液晶電視和筆記本電腦等應用中，產(chǎn)品的厚度是決定消費者選擇的關(guān)鍵因素之一，這使得D類(lèi)放大器在這些領(lǐng)域的應用前景被看好。

　　王新成　　D類(lèi)放大器在手機、家電、PC等領(lǐng)域的應用情況沒(méi)有半導體廠(chǎng)商預料的好，主要原因是售價(jià)比AB類(lèi)放大器高50%甚至幾倍，還要在系統設計上花費成本和時(shí)間解決EMI.但D類(lèi)放大器的能耗只是AB類(lèi)的43%，節能特性決定了它未來(lái)的美好前景。

　　D類(lèi)放大器本質(zhì)上是一個(gè)DC-DC（直流-直流）轉換器，只不過(guò)參考信號不是基準電壓，而是變化的音頻信號。因而只要有足夠的輸出功率，D類(lèi)放大器可用于開(kāi)關(guān)電源和馬達驅動(dòng)。但這種用法并不是科學(xué)合理的解決方案，因為在這些領(lǐng)域具有更優(yōu)化的器件可用。

　　魏智　　當前，針對絕大多數應用都可以選擇適當的D類(lèi)放大器。這些應用包括低功耗便攜式應用（如蜂窩電話(huà)和筆記本電腦），電池壽命、電路板空間和EMI兼容性要求在這類(lèi)應用中至關(guān)重要；此外，還包括大功率應用（如車(chē)載音響系統或平板顯示器），最大限度降低散熱需求和發(fā)熱量在這類(lèi)應用中必不可少。對D類(lèi)放大器及其最新的技術(shù)發(fā)展有一個(gè)基本理解，將有助于設計者為具體應用選擇合適的放大器，并正確權衡某些功能特性的優(yōu)勢和劣勢。

　　羅姆專(zhuān)家　　電視機正快速向大屏幕、薄型化方向發(fā)展，對D類(lèi)放大器的小型、薄型化以及高效率、低發(fā)熱特性提出日益嚴格的要求。此外，對于今后的產(chǎn)品特性，伴隨音頻信號的數字化要求，需要針對受限于產(chǎn)品尺寸配置的小揚聲器，必須帶有音頻特性修正的均衡器功能，以及可以使用液晶面板的24V背光電源直接驅動(dòng)的高耐壓性能。羅姆電子正對應這些需求進(jìn)行產(chǎn)品線(xiàn)的擴充。

　　越來(lái)越多的手機具有音樂(lè )、視頻播放等多種功能。最重要的要求是電池的持續使用時(shí)間要延長(cháng)，所以，對高效率、低功耗的D類(lèi)放大器的需求今后會(huì )迅速擴大。D類(lèi)放大器具有功率損失小、發(fā)熱量少的特點(diǎn)，因此電機驅動(dòng)器、逆變器等都可以采用。

　　張秋明　　D類(lèi)放大器在手機應用上已經(jīng)非常成熟，估計近1/3的手機已使用D類(lèi)放大器。在平板電視中，32英寸以上的電視，基本上都采用了D類(lèi)放大器。在組合音響、iPod音箱中，D類(lèi)放大器的應用也越來(lái)越普遍。此外，在馬達控制領(lǐng)域，D類(lèi)放大器也有少量應用。