新一代的高性能低功耗音頻放大器

最基本的D類放大器拓?fù)洳捎妹}寬調(diào)制(PWM)與三角波(或鋸齒波)振蕩器。圖2展示了半橋D類放大器的簡(jiǎn)化框圖。它包括1個(gè)脈沖寬度調(diào)制器、2個(gè)輸出MOSFET和1個(gè)用于恢復(fù)被放大的音頻信號(hào)的外部低通濾波器。MOSFET交替地與輸出節(jié)點(diǎn)和地連接，可用作電流舵(current-steering)開關(guān)。由于輸出晶體管將輸出切換到VDD或地，D類放大器的最終輸出為高頻方波。大多數(shù)D類放大器的開關(guān)頻率通常為250 kHz至1 MHz。將輸入音頻信號(hào)比作內(nèi)部生成的三角波振蕩器，通過輸入音頻信號(hào)來調(diào)制輸出方波的脈寬。由此產(chǎn)生的方波占空比與輸入信號(hào)的電平成比例。無輸入信號(hào)時(shí)，輸出波形的占空比等于50%，與輸入信號(hào)成比例地增大或減小。

圖2：半橋模式下的D類放大器

D類放大器還會(huì)使用全橋輸出級(jí)。全橋電路使用2個(gè)半橋輸出級(jí)，并以差分方式驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這種負(fù)載連接方式通常稱為橋接負(fù)載(BTL)。正如圖3中所示，全橋結(jié)構(gòu)是通過轉(zhuǎn)換負(fù)載的導(dǎo)通路徑來工作的。因此負(fù)載電流可以雙向流動(dòng)，無需負(fù)電源或隔直電容。

圖3：全橋/ BTL模式下的D類放大器

傳統(tǒng)D類放大器的缺點(diǎn)：

1 固定開關(guān)損耗使靜態(tài)電流更高，使小功率輸出的功效更低。D類放大器本質(zhì)上是開關(guān)電路。在其 基本架構(gòu)下，它們基于對(duì)音頻信號(hào)編碼的模式在ON和OFF之間切換。將開關(guān)輸出通過低通濾波器傳輸至負(fù)載(揚(yáng)聲器)，從而恢復(fù)被放大的音頻信號(hào)。參見上面的圖3。

從理論上講，由于輸出設(shè)備的狀態(tài)不是ON就是OFF，開關(guān)不會(huì)使功率下降，所有功率均轉(zhuǎn)移至負(fù)載(功效為100%)。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，開關(guān)是由MOSFET和一個(gè)有限電阻(漏源導(dǎo)通電阻)來實(shí)現(xiàn)的。漏源導(dǎo)通電阻越低，功效越高。一個(gè)具有橋接配置(半橋)的8 Ω電阻和0.4 Ω漏源導(dǎo)通電阻的典型揚(yáng)聲器可提供約90%的功效。(參見圖2)。然而，低漏源導(dǎo)通電阻意味著更大的移動(dòng)設(shè)備，反之則意味著更高的輸入電容。每次開關(guān)時(shí)都需要對(duì)電容進(jìn)行充電/放電，導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗(此損耗沒有模擬放大器拓?fù)渲械膿p耗明顯)。更糟的是，從廣義上講，此損耗為“固定損耗”，與輸入信號(hào)無關(guān)。事實(shí)上，由于開關(guān)放大器即使在沒有任何信號(hào)的情況下也會(huì)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，因此固定損耗是電源的恒定損耗。實(shí)際上，雖然D類放大器在全功率下的效率為90%，固定損耗會(huì)使小功率下的功效大大降低。這成為實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)問題，全功率下不僅僅是正弦波。不同流派的音樂具有6-10個(gè)波峰因數(shù)，大多數(shù)聽到的音都是以小功率發(fā)出，因此降低了放大器的功效。

2 EMI濾波 - D類放大器的一個(gè)眾所周知的缺點(diǎn)是作為開關(guān)放大器，它們具有電磁干擾，對(duì)AM頻段和手機(jī)接收產(chǎn)生干擾。目前通過使用濾波器，以及大功率應(yīng)用中用金屬外殼將輸出開關(guān)設(shè)備和輸出濾波器封裝起來解決這個(gè)問題。

3 BOM成本 - 傳統(tǒng)的D類架構(gòu)需要低通濾波器來恢復(fù)被放大的音頻信號(hào)。這會(huì)增加放大器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的BOM成本。許多制造商已經(jīng)取得了最新的進(jìn)展，可提供無濾波器的D類放大器，但一般都是以降低性能或增加EMI為代價(jià)。

新一代的D類放大器：

新唐科技硅谷研發(fā)中心的工程師率先著手，通過兩年深入的努力來解決上節(jié)中所描述的缺點(diǎn)。他們使用全球資源來調(diào)查各種可能的解決方案來定義和設(shè)計(jì)新一代的D類放大器。IC框圖如下面的圖6所示。新唐科技推出的新型D類放大器系列，NAU系列，采用了這種技術(shù)和電路的設(shè)計(jì)思路(專利待批)。以下對(duì)新唐科技所采用的解決D類問題的創(chuàng)新方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的技術(shù)說明：

1 低靜態(tài)電流 – NAU系列可為輸出功率提供超低靜態(tài)電流，樹立了嶄新的標(biāo)準(zhǔn)。 NAU8223是一款3 W的立體聲D類放大器，具有每通道1.1 mA的靜態(tài)電流。目前，業(yè)內(nèi)的靜態(tài)電流平均為每通道3 mA!

2 出色的EMI性能和無濾波器架構(gòu) - NAU8223和NAU8224立體聲3 W D類音頻放大器無需外部輸出濾波器，并提供出色的EMI性能，如下面的圖5所示。新唐科技的D類放大器采用BD調(diào)制(也稱為三元式或無濾波器調(diào)制)。采用BD調(diào)制時(shí)，2個(gè)揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器輸出的相位正好相互抵消。在BD調(diào)制下，2個(gè)比較器接收相同的載波信號(hào)(同相)，輸入信號(hào)異相。如圖4所示，一個(gè)比較器接收輸入信號(hào)INP，另一個(gè)比較器接收異相信號(hào)INM。兩者都與相同的參考波形VREF進(jìn)行比較。OUTM和OUTP是2個(gè)揚(yáng)聲器輸出，它們以BTL(橋接負(fù)載)配置來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。因此，當(dāng)任一輸入沒有信號(hào)時(shí)，輸出平均電壓則非常接近于0。當(dāng)信號(hào)在正周期下時(shí)，一個(gè)揚(yáng)聲器輸出的占空比大于50%，另一個(gè)小于50%。當(dāng)輸入信號(hào)在負(fù)周期下時(shí)，輸出的占空比相反。因此，總體而言，在開關(guān)操作期間，負(fù)載上的輸出電壓為零，從而降低了輸出電流和功耗。由于開關(guān)功耗較低，因此揚(yáng)聲器可用作其本身的LC濾波器，從而無需額外的LC濾波器。開關(guān)頻率元器件仍然存在，但由于其頻率較高，揚(yáng)聲器為其提供非常高的阻抗，并且使其損耗大大降低，并且不被人所聽到。

此外，NAU8223和NAU8224具有良好的抗干擾性能和出色的PSRR(頻率為217Hz時(shí)大于85 dB)，是無線和AM頻段應(yīng)用的理想的D類音頻放大器。

圖4：BD調(diào)制方案波形

圖5：帶30 cm導(dǎo)線的新唐NAU8223/NAU8224立體聲3 W D類射頻發(fā)射

3 防削波(Anti-Clip)控制功能 - 此功能用于控制輸出，以獲得無失真的最大輸出電平。當(dāng)輸入端加載會(huì)引起削波和失真的較大輸入信號(hào)時(shí)，啟用防削波功能。防削波功能將放大器的增益降低至適當(dāng)值，使差分信號(hào)輸出端上不會(huì)引起削波。防削波功能同時(shí)監(jiān)控電源電壓，以確保不會(huì)由于電源電壓的變化而引起削波。這使音質(zhì)得到顯著的提高，并保護(hù)揚(yáng)聲器不受損壞。