D類(lèi)放大器逐漸成為高端家用A/V設(shè)備以及移動(dòng)設(shè)備的首選拓?fù)?，能夠幫助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)高性能與小尺寸組合，而這正是全世界用戶所期望和需要的?，F(xiàn)在，高集成度D類(lèi)放大器件，包括單個(gè)封裝內(nèi)的整個(gè)放大器模塊 - 的出現(xiàn)讓企業(yè)能夠更快地將價(jià)格極具競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并且其音頻性能達(dá)到或者超過(guò)了傳統(tǒng)的模擬放大器。
D類(lèi)音頻放大器可以在90%左右的效率水平下運(yùn)行，讓設(shè)計(jì)者能夠利用小型散熱器或者無(wú)需散熱器即可提供極高的音頻輸出。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)新的小型音頻產(chǎn)品，而這是利用傳統(tǒng)的模擬AB類(lèi)放大器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
然而，從頭設(shè)計(jì)D類(lèi)放大器并非易事。巨大的挑戰(zhàn)在于確保放大器能夠安全運(yùn)行。但是，如果可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，音頻性能或多或少是可以預(yù)知的，并且主要取決于所用元件的質(zhì)量。
本文將比較AB類(lèi)和D類(lèi)放大器的設(shè)計(jì)與性能，介紹D類(lèi)設(shè)計(jì)相關(guān)的主要挑戰(zhàn)，說(shuō)明更高的集成度如何幫助工程師更快的完成設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)成本與性能目標(biāo)。
模擬與數(shù)字放大器設(shè)計(jì)
多年以來(lái)，AB類(lèi)模擬拓?fù)湟褟V泛用于整個(gè)音頻行業(yè)。AB類(lèi)操作結(jié)合了A類(lèi)操作(其中，輸出晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)關(guān)閉，導(dǎo)致功耗居高不下)和B類(lèi)操作(其中，每個(gè)器件都只會(huì)接通半個(gè)信號(hào)周期(180度)，從而大幅降低了功耗)。在AB類(lèi)放大器內(nèi)，各個(gè)輸出器件都會(huì)接通200度左右，犧牲了一定的能效，但是產(chǎn)生了少量重疊，從而減輕了一個(gè)器件關(guān)閉，另一個(gè)器件接通時(shí)的交越失真。
為了利用AB類(lèi)放大器實(shí)現(xiàn)盡可能最高的音頻保真度，設(shè)計(jì)者必須以最佳的方式偏置晶體管，以便操作保持在線性區(qū)域內(nèi)和將交越失真最小化。器件選擇和電路布局也會(huì)影響聲音的質(zhì)量和類(lèi)型，從而讓設(shè)計(jì)者能夠針對(duì)某些應(yīng)用和環(huán)境優(yōu)化之。通常，AB類(lèi)放大器的工作效率為30-35%。這比純A類(lèi)設(shè)計(jì)15-30%的效率高得多，但是需要添加大型散熱器，從而增加了成品的成本和體積。
過(guò)去，設(shè)備采購(gòu)商易于接受高級(jí)高保真音響和音/視頻設(shè)備體積大的問(wèn)題。然而，當(dāng)今對(duì)高性能移動(dòng)設(shè)備和更流行的超薄家用多媒體系統(tǒng)的需求越來(lái)越需要能夠提供同等或更高音質(zhì)、占用的PCB面積更小、工作效率更高、能耗更低、需要更少散熱器的數(shù)字放大器。
在D類(lèi)放大器中，輸出晶體管是在開(kāi)關(guān)模式下運(yùn)行，而不是在線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，這樣就讓設(shè)計(jì)者能夠提供當(dāng)今終端用戶期望的外形更小巧、能效更高的產(chǎn)品。在輸出端，利用低通濾波器去除開(kāi)關(guān)載波信號(hào)及其諧波，從而產(chǎn)生高質(zhì)量放大音頻信號(hào)。
D類(lèi)放大器的通用功能模塊如圖1所示。將輸入音頻信號(hào)與高頻鋸齒波形對(duì)比，生成輸入的脈寬調(diào)制方波表達(dá)式。鋸齒波頻率通常在400kHz上下。這正好在音頻信號(hào)頻率范圍之外，因此有助于簡(jiǎn)化輸出濾波器設(shè)計(jì)。
圖1：D類(lèi)放大器的主要功能模塊。
然后，音頻信號(hào)的脈寬調(diào)制等效信號(hào)被用于驅(qū)動(dòng)放大器輸出級(jí)，它是全橋或者半橋MOSFET陣列。輸出拓?fù)溥x擇取決于系統(tǒng)要求，例如成本、功率輸出和電源設(shè)計(jì)。例如，半橋輸出級(jí)需要正、負(fù)供電。另一方面，全橋能夠由單電源供電，并且還能為給定的電源電壓產(chǎn)生較高的輸出。
在這兩種情況下，輸出MOSFET的特性均針對(duì)D類(lèi)音頻放大器操作進(jìn)行了優(yōu)化，從而能夠?qū)崿F(xiàn)效率最大化，并保證低總諧波失真+噪聲(THD+ N)和EMI。這需要低導(dǎo)通電阻(用于在終端產(chǎn)品內(nèi)實(shí)現(xiàn)高電源密度)以及優(yōu)化的柵極電荷和體二極管反向恢復(fù)特性(用于實(shí)現(xiàn)快速且高效的交換)。
放大的音頻信號(hào)包含在MOSFET橋輸出端處的方波內(nèi)。低通濾波消除了音頻外頻率，恢復(fù)了純音頻信號(hào)以便驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。
D類(lèi)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
由于功率晶體管不是處于硬開(kāi)狀態(tài)，就是處于全關(guān)狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)者無(wú)需做任何調(diào)整就可以優(yōu)化性能。然而，PWM變換級(jí)必須得到很好的保護(hù)，并且需要精確的柵極控制和低脈寬失真，以及高、低端驅(qū)動(dòng)信號(hào)要匹配，方可將死區(qū)時(shí)間最小化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳線性度。
開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)很高，設(shè)計(jì)D類(lèi)放大器本來(lái)就是一個(gè)功率電子挑戰(zhàn)，需要具備開(kāi)關(guān)控制和保護(hù)電路設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。如果設(shè)計(jì)階段沒(méi)有正確解決這些問(wèn)題，那么原型就可能無(wú)法運(yùn)行或者在測(cè)試時(shí)出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。如果發(fā)生了這類(lèi)故障，那么查明和修正這些缺陷就會(huì)非常困難，并且還會(huì)額外增加成本和導(dǎo)致項(xiàng)目延期完成。
參照?qǐng)D1，就能夠確定與放大器的主要功能模塊相關(guān)的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)了。
誤差放大器和噪聲隔離
音頻放大器的主要品質(zhì)因數(shù)為噪聲和總諧波失真(THD)。在D類(lèi)放大器中，這些是由缺陷造成的，包括有限的開(kāi)關(guān)時(shí)間、過(guò)上/下沖和電源波動(dòng)。要將這些影響降至最低水平，就需要仔細(xì)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)恼`差放大器，它能夠通過(guò)比較輸入和輸出音頻信號(hào)來(lái)修正輸出級(jí)內(nèi)的缺陷。然而，A類(lèi)或AB類(lèi)設(shè)計(jì)所用的典型誤差放大器不適于D類(lèi)音頻放大器的嘈雜環(huán)境。購(gòu)買(mǎi)合適的運(yùn)算放大器和確保足夠高的抗噪性可能會(huì)很困難而且代價(jià)高昂。
就噪聲隔離而言，D類(lèi)拓?fù)湟笄?、后端要盡可能地靠近彼此。在分立式解決方案中，設(shè)計(jì)者必須決定如何將輸入端的噪聲敏感型模擬電路與輸出級(jí)產(chǎn)生的潛在破壞性開(kāi)關(guān)噪聲隔離開(kāi)來(lái)。集成式D類(lèi)放大器模塊讓設(shè)計(jì)者能夠繞開(kāi)這些挑戰(zhàn)。然而，利用適當(dāng)?shù)钠骷?個(gè)電路之間實(shí)現(xiàn)充分的電隔離至關(guān)重要。
PWM比較器和電平移位
誤差放大器處理完輸入音頻信號(hào)并產(chǎn)生形狀適當(dāng)?shù)妮敵鲋?，比較器會(huì)將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。
柵極驅(qū)動(dòng)和MOSFET開(kāi)關(guān)
柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)接收來(lái)自于比較器的PWM信號(hào)。這個(gè)階段，在高端和低端MOSFET的導(dǎo)通相之間插入死區(qū)時(shí)間，用以防止過(guò)大的電流流過(guò)電橋。死區(qū)時(shí)間消除了輸出MOSFET開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間的影響，開(kāi)關(guān)延遲會(huì)產(chǎn)生破壞性直通電流通行，因此能夠保證安全操作。然而，插入死區(qū)時(shí)間還會(huì)導(dǎo)致非線性，從而產(chǎn)生不必要的失真。
精確的柵極控制是實(shí)現(xiàn)高音頻性能的關(guān)鍵。柵極驅(qū)動(dòng)器必須具有脈寬失真低的特性，并且高、低端柵極驅(qū)動(dòng)器級(jí)之間要匹配。這2個(gè)特性對(duì)于將死區(qū)時(shí)間最小化以便實(shí)現(xiàn)線性放大器性能而言至關(guān)重要。事實(shí)上，死區(qū)時(shí)間插入通常被視為D類(lèi)放大器交換級(jí)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分。
保護(hù)電路
由于MOSFET的功耗與負(fù)載電流的平方成正比，所以保護(hù)電路通常要監(jiān)測(cè)負(fù)載電流，以便防止在過(guò)載條件下發(fā)生MOSFET故障。外部分流電阻器通常用于負(fù)載電流檢測(cè)，但是電阻選擇和噪聲濾波等方面也很關(guān)鍵。這會(huì)增加整個(gè)解決方案的成本和物理尺寸，并且會(huì)拖延項(xiàng)目完成時(shí)間。
還需要保護(hù)電路來(lái)解決由于功率級(jí)的關(guān)鍵電流環(huán)路通道內(nèi)的雜散電感而產(chǎn)生的其它開(kāi)關(guān)噪聲的影響。
