D类音频放大器设计：概念、原理和方法(下)

摘要： 本文详细阐述了D类音频放大器技术及其设计要素，并介绍了ADI公司的D类放大器的产品特点。

关键词： D类放大器；输出级功率；输出晶体管；EMI；LC滤波器

音质

在D类放大器中，要获得好的总体音质必须解决几个问题。

“卡搭”声：当放大器导通或断开时发出的卡搭声非常讨厌。但不幸的是，它们易于引入到D类放大器中，除非当放大器静噪或非静噪时特别注意调制器状态、输出级时序和LC滤波器状态。

信噪比(SNR):为了避免放大器本底噪声产生的嘶嘶声，对于便携式应用的低功率放大器，SNR通常应当超过90 dB，对于中等功率设计SNR应当超过100 dB，对于大功率设计应当超过110 dB。这对于各种放大器是可以达到的，但在放大器设计期间必须跟踪具体的噪声源以保证达到满意的总体SNR。

失真机理: 失真机理包括调制技术或调制器实现中的非线性，以及为了解决冲击电流问题输出级所采用的死区时间。

在D类调制器输出脉宽中通常对包含音频信号幅度的信息进行编码。用于防止输出级冲击电流附加的死区时间会引入非线性时序误差，它在扬声器产生的失真与相对于理想脉冲宽度的时序误差成正比。用于避免冲击最短的死区时间对于将失真减至最小经常是最有利的；欲了解优化开关输出级失真性能的详细设计方法请参看深入阅读资料2。

其它失真源包括：输出脉冲上升时间和下降时间的不匹配，输出晶体管栅极驱动电路时序特性的不匹配，以及LC低通滤波器元器件的非线性。

电源抑制 (PSR): 在图2所示的电路中，电源噪声几乎直接耦合到输出扬声器，具有很小的抑制作用。发生这种情况是因为输出级晶体管通过一个非常低的电阻将电源连接到低通滤波器。滤波器抑制高频噪声，但所有音频频率都会通过，包括音频噪声。关于对单端和差分开关输出级电路电源噪声影响的详细说明请参看深入阅读材料3。

如果不解决失真问题和电源问题，就很难达到PSR优于10 dB，或总谐波失真(THD)优于0.1%。甚至更坏的情况，THD趋向于有害音质的高阶失真。

幸运的是，有一些好的解决方案来解决这些问题。使用具有高环路增益的反馈(正如在许多线性放大器设计中所采用的)帮助很大。LC滤波器输入的反馈会大大提高PSR并且衰减所有非LC滤波器失真源。LC滤波器非线性可通过在反馈环路中包括的扬声器进行衰减。在精心设计的闭环D类放大器中，可以达到PSR > 60 dB和THD < 0.01%的高保真音质。

但反馈使得放大器的设计变得复杂，因为必须满足环路的稳定性(对于高阶设计是一种很复杂的考虑)。连续时间模拟反馈对于捕获有关脉冲时序误差的重要信息也是必需的，因此控制环路必须包括模拟电路以处理反馈信号。在集成电路放大器实现中，这会增加管芯成本。

为了将IC成本减至最低，一些制造商喜欢不使用或使用最少的模拟电路部分。有些产品用一个数字开环调制器和一个模数转换器来检测电源变化，并且用调整调制器进行补偿，这可以参看深入阅读资料3。这样可以改善PSR，但不会解决任何失真问题。其它的数字调制器试图对预期的输出级时序误差进行预补偿，或对非理想的调制器进行校正。这样至少会处理一部分失真源，但不是全部。对于音质要求宽松的应用，可通过这些开环D类放大器进行处理，但对于最佳音质，有些形式的反馈似乎是必需的。

调制技术

D类放大器调制器可以有多种方法实现，拥有大量的相关研究和知识产权支持。限于篇幅，在此从略。

EMI处理

D类放大器输出的高频分量值得认真考虑。如果不正确理解和处理，这些分量会产生大量EMI并且干扰其它设备的工作。

两种EMI需要考虑：辐射到空间的信号和通过扬声器及电源线传导的信号。D类放大器调制方案决定传导EMI和辐射EMI分量的基线谱。但是，可以使用一些板级的设计方法减少D类放大器发射的EMI，而不管其基线谱如何。

一条有用的原则是将承载高频电流的环路面积减至最小，因为与EMI相关的强度与环路面积及环路与其它电路的接近程度有关。例如，整个LC滤波器(包括扬声器接线)的布局应尽可能地紧密，并且保持靠近放大器。电流驱动和回路印制线应当集中在一起以将环路面积减至最小(扬声器使用双绞线对接线很有帮助)。另一个要注意的地方是当输出级晶体管栅极电容开关时会产生大的瞬态电荷。通常这个电荷来自储能电容，从而形成一个包含两个电容的电流环路。通过将环路面积减至最小可降低环路中瞬态的EMI影响，意味着储能电容应尽可能靠近晶体管对它充电。

有时，插入与放大器电源串联的RF厄流线圈很有帮助。正确布置它们可将高频瞬态电流限制在靠近放大器的本地环路内，而不会沿电源线长距离传导。

如果栅极驱动非重叠时间非常长，扬声器或LC滤波器的感应电流会正向偏置输出级晶体管端的寄生二极管。当非重叠时间结束时，二极管偏置从正向变为反向。在二极管完全断开之前，会出现大的反向恢复电流尖峰，从而产生麻烦的EMI源。通过保持非重叠时间非常短(还建议将音频失真减至最小)使EMI减至最小。如果反向恢复方案仍不可接受，可使用肖特基(Schottky)二极管与该晶体管的寄生二极管并联，以转移电流并且防止寄生二极管一直导通。这很有帮助，因为Schottky二极管的金属半导体结本质上不受反向恢复效应的影响。

具有环形电感器磁芯的LC滤波器可将放大器电流导致的杂散现场输电线影响减至最小。在成本和EMI性能之间的一种好的折衷方法是通过屏蔽减小来自低成本鼓形磁芯的辐射。

LC滤波器设计

为了节省成本和PCB面积，大多数D类放大器的LC滤波器采用二阶低通设计。图3示出一个差分式二阶LC滤波器。扬声器用于减弱电路的固有谐振。尽管扬声器阻抗有时近似于简单的电阻，但实际阻抗比较复杂并且可能包括显著的无功分量。要获得最佳滤波器设计效果，设计工程师应当总是争取使用精确的扬声器模型。

常见的滤波器设计选择目的是为了在所需要的最高音频频率条件下将滤波器响应下降减至最小以获得最低带宽。如果对于高达20 kHz频率，要求下降小于1 dB，则要求典型的滤波器具有40 kHz巴特沃斯(Butterworth)响应(以达到最大平坦通带)。对于常见的扬声器阻抗以及标准的L值和C值，表1给出了标称元器件值及其相应的近似Butterworth响应。

表1

如果设计不包括扬声器反馈，扬声器THD会对LC滤波器元器件的线性度敏感。

电感器设计考虑因素：设计或选择电感器的重要因素包括磁芯的额定电流和形状，以及绕线电阻。

额定电流：选用磁芯的额定电流应当大于期望的放大器的最高电流。原因是如果电流超过额定电流阈值并且电流密度太高，许多电感器磁芯会发生磁性饱和，导致电感急剧减小，这是我们所不期望的。

通过在磁芯周围绕线而形成电感。如果绕线匝数很多，与总绕线长度相关的电阻很重要。由于该电阻串联于半桥和扬声器之间，因而会消耗一些输出功率。如果电阻太高，应当使用较粗的绕线或选用要求绕线匝数较少的其它金属材质的磁芯，用以提供需要的电感。

最后，不要忘记所使用的电感器的形状也会影响EMI，正如上面所提到的。

系统成本

在使用D类放大器的音频系统中，有哪些重要因素影响其总体成本? 我们怎样才能将成本减至最低?

D类放大器的有源器件是开关输出级和调制器。构成该电路的成本大致与模拟线性放大器相同。真正需要考虑的折衷是系统的其它元器件。

D类放大器的低功耗节省了散热装置的成本(以及PCB面积)，例如，散热片或风扇。D类集成电路放大器可采用比模拟线性放大器尺寸小和成本低的封装。当驱动数字音频源时，模拟线性放大器需要数模转换器(DAC)将音频信号转换为模拟信号。对于处理模拟输入的D类放大器也需如此转换，但对于数字输入的D类放大器有效地集成了DAC功能。

另一方面，D类放大器的主要成本缺点是LC滤波器。LC滤波器的元器件，尤其是电感器，占用PCB面积并且增加成本。在大功率放大器中，D类放大器的总体系统成本仍具有竞争力，因为在散热装置节省的大量成本可以抵消LC滤波器的成本。但是在低成本、低功耗应用中，电感器的成本很高。在极个别情况下，例如，用于蜂窝电话的低成本放大器，放大器IC的成本可能比LC滤波器的总成本还要低。即使是忽略成本方面的考虑，LC滤波器占用的PCB面积也是小型应用中的一个问题。

为了满足这些考虑，有时会完全取消LC滤波器，以采用无滤波放大器设计。这样可节省成本和PCB面积，虽然失去了低通滤波器的好处。如果没有滤波器，EMI和高频功耗的增加将会不可接受，除非扬声器采用电感式并且非常靠近放大器，电流环路面积最小，而且功率水平保持很低。尽管这种设计在便携式应用中经常采用，例如，蜂窝电话，但不适合大功率系统，例如，家庭音响。

另一种方法是将每个音频通道所需要的LC滤波器元器件数减至最少。这可以通过使用单端半桥输出级实现，它需要的电感器和电容器数量是差分全桥电路的一半。但如果半桥输出级需要双极性电源，那么与产生负电源相关的成本可能就会过高，除非负电源已经有一些其它目的，或放大器有足够多的音频通道，以分摊负电源成本。另外，半桥也可从单电源供电，但这样会降低输出功率并且经常需要使用一个大的隔直流电容器。

ADI公司D类放大器

刚才讨论的所有设计问题可以归结到一个要求相当严格的项目。为了节省设计工程师的时间，ADI公司提供各种D类放大器IC，它们含有可编程增益放大器、调制器和功率输出级。为了简化评估，ADI公司为每种类型的放大器提供了演示板。这些演示板的PCB布线和材料清单可以作为切实可行的参考设计，从而帮助客户迅速设计经过验证、经济有效的音频系统而无须为解决D类放大器主要设计问题做“重复性的工作”。

例如，可以考虑使用AD19902，AD19923，AD19944和AD199655双放大器IC系列产品，它们适合要求两个通道每通道输出达到5，10，25和40 W的中等功率的立体声或单声道应用。

致谢ADI公司Art Kalb先生和Rajeev Morajkar先生对本文的有益建议。

深入阅读资料
1. International Rectifier, Application Note AN-978, “HV Floating   MOS-Gate Driver ICs.”
2. Nyboe, F., et al, “Time Domain Analysis of Open-Loop   Distortion in Class D Amplifier Output Stages,” presented at the  AES 27th International Conference, Copenhagen, Denmark,  September 2005.
3. Zhang, L., et al, “Real-Time Power Supply Compensation for   Noise-Shaped Class D Amplifier,” Presented at the 117th AES  Convention, San Francisco, CA, October 2004.
4. Nielsen, K., “A Review and Comparison of Pulse-Width  Modulation (PWM) Methods for Analog and Digital Input  Switching Power Amplifiers,” Presented at the 102nd AES  Convention, Munich, Germany, March 1997.
5. Putzeys, B., “Simple Self-Oscillating Class D Amplifier with  Full Output Filter Control,” Presented at the 118th AES  Convention, Barcelona, Spain, May 2005.
6. Gaalaas, E., et al, “Integrated Stereo Delta-Sigma Class D  Amplifier,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 12, December  2005, pp. 2388-2397. About the AD199x Modulator.
7. Morrow, P., et al, “A 20-W Stereo Class D Audio Output Stage  in 0.6 mm BCDMOS Technology,” IEEE J. Solid-State Circuits,  vol. 39, no. 11, November 2004, pp. 1948-1958. About the  AD199x Switching Output Stage.
8. PWM and Class-D Amplifiers with ADSP-BF535 Blackfin(r)  Processors, Analog Devices Engineer-to-Engineer Note EE-242.
ADI website: www.analog.com (Search) EE-242 (Go)

在线参考文献-从2006年6月开始有效
1. http://www.analog.com/en/content/0,2886,759_5F1075_  5F57704,00.html
2. ADI website: www.analog.com (Search) AD1990 (Go)
3. ADI website: www.analog.com (Search) AD1992 (Go)
4. ADI website: www.analog.com (Search) AD1994 (Go)
5. ADI website: www.analog.com (Search) AD1996 (Go)