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功率技術/新能源  

D類音訊放大器原理詳解

上網時間: 2007年06月20日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:D類音訊放大器  電源抑制比  PSR  交叉失真  crossover distortion 

音訊放大器的主要目標,是在可產生聲音的輸出元件上,以期望的音量和功率電平重現高傳真、高效,低失真的輸入音訊訊號。在達到這些目標方面,D類放大器擁有眾多優勢。

由於音訊頻率範圍介於20Hz~20kHz之間,因此放大器必須在此頻段上具備良好的頻率響應。根據應用的不同,功率強度差異很大,從耳機的毫瓦級到電視或PC音訊的數瓦級,到‘迷你’家庭身歷聲系統和汽車音響的數十瓦級,乃至更強大的家庭和商用音響系統(如影劇院或演奏廳音響系統)所需的數百瓦級,變化範圍相當廣。

採用簡單類比方式實現音訊放大器的方案之一,是利用工作於線性模式的電晶體建立一個輸出電壓,該電壓以輸入電壓的比例複製。前向電壓增益通常很高(至少40dB)。如果前向增益是反饋迴路的一部份,整個迴路的增益也將很高。由於高迴路增益可改善性能,因此經常採用反饋,以抑制由前向路徑之非線性產生的失真,並透過提高電源抑制比(PSR)來降低電源雜訊。

在傳統電晶體放大器中,輸出級包含可提供暫態連續輸出電流的電晶體。音訊系統有許多可能的實現方案,如A類、AB類和B類放大器。與D類放大器設計相較,即使在最有效的線性輸出級,這些方案的輸出級功耗也很大。這種差異讓D類放大器在許多應用中具有顯著優勢,因為低功耗產生的熱量較少,可節省電路板空間和成本,並能延長可攜式系統的電池壽命。

由於在產生輸出電壓(VOUT)的過程中,會不可避免地在至少一個輸出電晶體內造成非零的IDS和VDS,因此功率會在所有的線性輸出級消耗。功耗大小主要取決於輸出電晶體所採用的偏置方法。

A類放大器拓撲結構使用一個電晶體作為直流(DC)電流源,為揚聲器提供所需的最大音訊電流。A類放大器輸出級可提供出色的音質,但功耗極大,因為通常有很大的DC偏置電流流過輸出級電晶體,(這並非我們所期望),但沒有如我們所期望的傳送到揚聲器。

B類放大器拓撲結構沒有DC偏置電流,所以功耗大幅減少。其輸出電晶體各自以推挽式方法控制,能讓每個元件為揚聲器提供正電流,其他元件則負責吸收負電流。由於只有訊號電流流過電晶體,因此可減少輸出級功耗。但B類電路的音質較差,因為當輸出電流過零時存在非線性行為(crossover distortion交叉失真),且電晶體此時正好在導通和斷開兩個狀態之間切換。

AB類放大器折衷了A類和B類放大器的優勢,它也採用了一定的DC偏置電流,但遠小於單純的A類放大器設計。小的DC偏置足以防止交叉失真的出現,可獲得良好音質。這類放大器的功耗介於A類和B類放大器之間,但更接近B類放大器。與B類放大器電路類似,AB類放大器也需要一些控制電路,以使其提供或吸收大的輸出電流。

由於採用不同的拓撲,D類放大器的功耗比上述任何一類放大器都要小得多。它的輸出級在正負電源之間切換,產生一串電壓脈衝。這種波形有利於降低功耗,因為在不切換時輸出電晶體的電流為零,而導通電流時VDS很低,故產生更小的IDS VDS。

由於大多數音訊訊號都不是脈衝串,因此必須採用一個調變器將音訊輸入轉換為脈衝訊號。脈衝的頻率成分包括所需音訊訊號和與調變過程有關的大量高頻能量。

在輸出級和揚聲器之間通常要插入一個低通濾波器,將電磁干擾(EMI)減至最小,並避免有太多的高頻能量驅動揚聲器。為了保持開關輸出級的低功耗優勢,這個濾波器必須是無損耗或接近無損耗的。該低通濾波器通常採用電容和電感,只有揚聲器會損耗能量。

圖:開環和閉環形式的無濾波器D類放大器的模組示意圖,適合行動應用。
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圖:開環和閉環形式的無濾波器D類放大器的模組示意圖,適合行動應用。

Clicks與pop噪音

在D類放大器中,要獲得良好整體音質,必須解決幾個問題。

放大器導通或斷開時發出的click或pop噪音非常惱人。但不幸的是,它們很容易被導入到D類放大器中,除非在放大器為靜噪或非靜噪時特別注意調變器狀態、輸出級時序和LC濾波器狀態。

為了避免放大器的噪音底層產生嘶嘶聲,可攜式應用的低功率放大器訊息噪音比(SNR)應超過90dB,中等功率設計則應超過100dB,大功率設計應超過110dB。各種放大器均可實現此一要求,但在放大器設計期間,必須追蹤各個噪音源以確保達到滿意的整體SNR。

導致失真的原因包括調變技術或調變方法中的非線性,以及為了解決擊穿電流問題,在輸出級所採用的死區時間。

D類調變器的輸出脈寬中,通常對包含音訊訊號強度的資訊進行編碼。用於防止輸出級擊穿電流而增加的死區時間會導入非線性時序誤差,它在揚聲器中產生的失真與關於理想脈衝寬度的時序誤差成比例。用於避免擊穿電流的死區時間越短,越有利於把失真減至最小。

其他失真來源還包括輸出脈衝中上升與下降時間的不匹配,輸出電晶體閘極驅動電路時序特性的不匹配,以及LC低通濾波器的非線性成分。

在電源抑制(PSR)方面,電源雜訊幾乎直接耦合到具有極小抑制作用的揚聲器上。發生這種情況是因為輸出級電晶體透過一個非常低的電阻連接電源與低通濾波器。該濾波器可抑制高頻雜訊,但會讓所有音訊頻率通過,包括雜訊在內。

如果不解決失真和電源問題,就很難獲得優於10dB的PSR,或優於0.1%的總諧波失真(THD)。更糟的情況是,THD可能有害於音質。

幸運的是,已經有良好的方案可解決這些問題。使用具有高迴路增益的反饋(如許多線性放大器設計所採用的)將為音訊設計師提供良好協助。來自LC濾波器輸入的反饋會大幅提高PSR,並削弱所有的非LC濾波器失真源。在反饋迴路中包含揚聲器可減少LC濾波器的非線性。在精心設計的閉環D類放大器中,設計人員有可能獲得PSR>60dB和THD<0.01%的高傳真音質。

系統成本

在採用D類放大器的音訊系統中,有哪些重要因素影響整體成本?設計人員如何才能將成本降至最低?

D類放大器的主動元件是開關輸出級和調變器。構成該電路的成本大致與類比線性放大器相同。真正需要考慮折衷的是系統的其他元元件。D類放大器的低功耗節省了散熱裝置的成本(以及PCB面積),如散熱片或風扇。與線性放大器相比,D類放大器可採用尺寸更小、價格更低的封裝。當受數位音訊源驅動時,類比線性放大器需要數位類比轉換器(DAC)把音訊訊號轉換為類比訊號。對於類比輸入的D類放大器也需如此處理,但數位輸入的D類放大器則有效整合了D/A轉換功能。

另一方面,D類放大器在成本方面的主要弱點是LC濾波器。LC濾波器中的元件會佔用板面空間並增加成本,尤其是電感。在大功率放大器中,由於D類放大器在散熱裝置方面節省的大量成本可以抵銷LC濾波器的成本,故其整體系統成本仍具有競爭力。但在低成本低功耗應用中,電感費用成為沈重負擔。在幾種情況下,如用於行動電話的低成本放大器,放大器IC的成本可能比LC濾波器的總成本還低。即使忽略成本考量,在小型應用中,LC濾波器佔用的板面空間也是一個問題。

為了解決這些問題,有時會完全取消LC濾波器,採用一種無濾波器放大器設計。這樣雖然失去了低通濾波器的優勢,但可節省成本和電路板空間。沒有濾波器,EMI和高頻功耗可能會增加到不可接受的程度,除非揚聲器採用電感式且非常靠近放大器、電流迴路面積減至最小、且功率水準保持在很低狀態。儘管這種技術在行動電話等可攜式應用中經常採用,但並不適合家庭音響等大功率系統。

另一種方法是將每個音訊通道所需的LC濾波器元件數量減至最少。這可透過使用單端半橋輸出級來實現,它需要的電感和電容數量是差分全橋電路的一半。但若這種半橋方案需要雙極電源,那麼與產生負電源的相關成本可能會過高,除非負電源還用於一些其他目的,或放大器有足夠多的音訊通道來分攤負電源成本。另外,半橋也可由單電源供電,但這樣會降低輸出功率,而且常常需要一個大的直流阻隔電容。

D類放大器的輸出級在正電源和負電源之間切換,產生一串電壓脈衝,而音訊應用中慣常使用的A、B和AB類放大器產生的是則是線性輸出。輸出會通過一個被動LC低通濾波器驅動揚聲器。輸出電晶體在斷開時電流為零,在導通時電壓很小,這使得D類放大器的功耗比其他同類元件遠小得多。因此,D類放大器產生的熱量更少,佔據的電路板面積更小,並使可攜式系統的電池壽命更長,成為音訊應用的理想選擇。

在建構一個高性能的D類音訊放大器時,音訊設計人員必須特別注意眾多細節問題,包括輸出電晶體尺寸選擇、輸出級保護、調變方法和濾波器拓撲設計。降低EMI和系統成本也必須結合所期望的音質來加以考量。

幸運的是,目前的商用積體電路可實現完整的D類放大器,它們整合了可編程增益放大器、調變器和輸出級,簡化了音訊設計人員的工作,縮短了上市時間。此外,評估板、PCB板佈局以及合理的材料清單,使設計人員不必再重覆解決D類放大器設計一些主要問題,可快速設計出具成本效益的音訊系統。

作者:Eric Gaalaas

資深設計工程師

ADI公司




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