單端數(shù)字音頻放大器設(shè)計(jì)中的考慮要素

數(shù)字放大器的最大優(yōu)勢(shì)之一就是具有設(shè)計(jì)復(fù)用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通路的靈活性。由于信號(hào)在經(jīng)由揚(yáng)聲器再現(xiàn)原音之前一直處于數(shù)字域，因而在信號(hào)路由方面有很大靈活性。此外，這種靈活性還應(yīng)用于實(shí)時(shí)或生產(chǎn)線中的填料選擇或固件改變。單端工作(single-ended operation)是數(shù)字放大器的一種常規(guī)工作方式。本文將討論單端設(shè)計(jì)基本原理以及相關(guān)的工程權(quán)衡。 

數(shù)字放大器一般具有兩級(jí)架構(gòu)，即在脈寬調(diào)制(PWM)處理器后接一個(gè)功率級(jí)(power stage)，如圖1所示。邏輯級(jí)PWM處理器接收的音頻數(shù)據(jù)通常是IIS格式的。它執(zhí)行音頻處理并將脈沖碼調(diào)制(PCM)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PWM數(shù)據(jù)。通過(guò)IIC總線控制PWM處理器，執(zhí)行音量變化、音調(diào)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(hào)路由的能力(甚至可實(shí)時(shí)進(jìn)行)。這種能力使設(shè)計(jì)人員可以靈活實(shí)現(xiàn)PCB布線，或使用戶有能力將內(nèi)容發(fā)送至不同揚(yáng)聲器。功率級(jí)接收3.3V PWM信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為更高電壓，并通過(guò)MOSFET H橋及二階LC濾波器送至揚(yáng)聲器。 

包含MOSFET H橋的功率級(jí)如圖1所示。在這里，MOSFET用作開(kāi)關(guān)將+V電壓以正/負(fù)兩個(gè)極向接到揚(yáng)聲器。對(duì)于將揚(yáng)聲器接在兩個(gè)MOSFET半橋間的大多數(shù)立體聲功率級(jí)而言，橋接負(fù)載(BTL)是常規(guī)架構(gòu)。單端是指每個(gè)MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)一個(gè)揚(yáng)聲器。SE模式的聲道數(shù)比BTL模式多一倍，但對(duì)給定的輸出負(fù)載來(lái)說(shuō)，每聲道功率降低約25%。在SE模式，當(dāng)PWM信號(hào)為“高”時(shí)，+V 電壓正向加至揚(yáng)聲器；當(dāng)PWM信號(hào)為“低”時(shí)，揚(yáng)聲器接地。 

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



圖1：具有H橋功率級(jí)的數(shù)字放大器數(shù)據(jù)通路。 



圖2：帶DC阻斷電容架構(gòu)的單端數(shù)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(yáng)聲器之間以濾除DC成分。不過(guò)該電容同時(shí)也會(huì)對(duì)較低音頻成分造成衰減，并生成一個(gè)大約1/(2Rsp C)的3dB點(diǎn)，其中Rsp是揚(yáng)聲器的阻抗。為使更高的頻帶通過(guò)揚(yáng)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(gòu)中，音頻信號(hào)以地為參考點(diǎn)。換言之，揚(yáng)聲器的一端接地。實(shí)現(xiàn)DC阻斷的另一種方式是采用分割電容(split-cap )架構(gòu)，其中音頻信號(hào)以PVDD/2為參考點(diǎn)，見(jiàn)圖3。從AC的角度看，當(dāng) Csm = Cb/2時(shí)，圖2和圖3沒(méi)有區(qū)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(gòu)的單端數(shù)字放大器。 

與阻斷電容架構(gòu)相比，分割模式架構(gòu)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(píng)估模塊(EVM)實(shí)際測(cè)量的PSRR。在該EVM中，TAS5142的功率級(jí)是單端架構(gòu)。 



圖4：TAS5086/5142 EVM的單端PSRR性能。 

SE分割模式架構(gòu)需要解決另兩個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。如先前提到的，重構(gòu)濾波器后面的音頻信號(hào)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(yáng)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(dāng)音頻信號(hào)最初被加至揚(yáng)聲器時(shí)，將有DC電壓流經(jīng)揚(yáng)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(shù)為RC的固定時(shí)長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)，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(zhǔn)確地充電。另一個(gè)快速充電分割電容的方法是利用運(yùn)放。在沒(méi)有專用半橋時(shí)，采用運(yùn)放是一種行之有效的辦法。 

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