D類放大器的幾大發(fā)展趨勢(shì)

D類放大器在過(guò)去的幾代產(chǎn)品中已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者極大地改善了系統(tǒng)的耐用性并提高了其音頻質(zhì)量。實(shí)際上，對(duì)大多應(yīng)用而言，使用這些放大器所帶來(lái)的好處已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了它們的不足。
在傳統(tǒng)D類放大器中，用控制器將模擬或數(shù)字音頻信號(hào)在被集成到功率后端設(shè)備中的功率MOSFET管放大之前轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)。這些放大器效率很高，使用很小的散熱器或根本不需要散熱器，且降低了對(duì)電源輸出功率的要求。然而，與傳統(tǒng)的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的問(wèn)題，解決這些問(wèn)題就是D類放大器的發(fā)展新趨勢(shì)。
降低EMI
自從D類放大器誕生以來(lái)，由于其自身的軌對(duì)軌(rail-to-rail)供電開(kāi)關(guān)特性而引起的大量輻射EMI就一直困擾著系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，這將使設(shè)備無(wú)法通過(guò)FCC和CISPR認(rèn)證。
在D類調(diào)制器中，通過(guò)將音頻信號(hào)與高頻固定頻率信號(hào)比較，并將結(jié)果在固定頻率的載波上調(diào)制，數(shù)字音頻信號(hào)被轉(zhuǎn)換成了PWM信號(hào)。形成的信號(hào)是可變脈寬的固定載波頻率(通常在幾百kHz)，然后由高壓功率MOSFET對(duì)這些PWM信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的PWM信號(hào)再通過(guò)低通濾波器去掉載頻，恢復(fù)出原始基帶音頻信號(hào)。
雖然這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很有效，但它也導(dǎo)致一些不希望的后果，如大量的輻射EMI。由于調(diào)制器采用固定頻率載波，因此將產(chǎn)生基載波的多次諧波輻射。而且，由于PWM信號(hào)自身的開(kāi)關(guān)特性，過(guò)沖/下沖和振鈴將產(chǎn)生固定比率的高頻(10～100MHz的范圍)輻射EMI。為了壓制輻射EMI，最新一代PWM調(diào)制器發(fā)展的趨勢(shì)是采用擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)。
擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)用于在更大的帶寬內(nèi)擴(kuò)展開(kāi)關(guān)PWM信號(hào)的頻譜能量，而不改變?cè)家纛l的內(nèi)容。一個(gè)改進(jìn)傳統(tǒng)調(diào)制器高輻射EMI的有效方法是改變PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)的兩個(gè)邊沿，如圖1所示。信號(hào)以載波頻率為中心，但任何一個(gè)邊沿都不是按周期重復(fù)的。這不僅維持了固定載波頻率，而且由于邊沿不是以固定比率跳變的，載波頻率上的輻射能量就得到了極大的降低。
改善音頻質(zhì)量
和性能優(yōu)良的A/B類放大器相比，D類放大器的音頻性能是很差的，不僅失真大，而且動(dòng)態(tài)范圍窄。所以，當(dāng)前D類放大器的設(shè)計(jì)者就必須改進(jìn)其性能。通過(guò)集成高性能采樣率轉(zhuǎn)換器(SRC)和Δ-Σ處理技術(shù)，新一代解決方案使失真(THDN)得到了更大的改善，而且動(dòng)態(tài)范圍也超過(guò)了100dB。
目前，D類放大器的一個(gè)噪聲源是音頻采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)。而時(shí)鐘通常是由SOC(MPEG解碼器和DSP等)產(chǎn)生的，即使很小的抖動(dòng)也能迅速地影響到常規(guī)D類放大器的性能，因?yàn)橐纛l時(shí)鐘是與調(diào)制器的輸出時(shí)鐘關(guān)聯(lián)的。
解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是采用SRC技術(shù)。因?yàn)镾RC使用本地穩(wěn)定的時(shí)鐘源來(lái)同步數(shù)字音頻的時(shí)鐘，例如石英晶體振蕩器，所以調(diào)制器的輸出抖動(dòng)實(shí)際上與其他音頻時(shí)鐘是獨(dú)立的、不相關(guān)的。SRC的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論輸入音頻的采樣率如何波動(dòng)，其輸出開(kāi)關(guān)比率都是固定的，這一點(diǎn)與基于PLL的調(diào)制器不同。當(dāng)音頻輸入源改變或輸入時(shí)鐘缺失時(shí)，SRC也通過(guò)消除可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲改善了系統(tǒng)的耐用性。
與目前的高端DAC所采用的技術(shù)類似，通過(guò)集成高階Δ-Σ處理技術(shù)，D類放大器的音頻質(zhì)量也得到了改善?；讦?Σ技術(shù)的調(diào)制器采用可以降低調(diào)制誤差的內(nèi)部反饋。通過(guò)減小采樣誤差，調(diào)制器可以改善輸出失真，從而獲得更好的音質(zhì)。
降低系統(tǒng)成本
為了追求D類放大器更低的成本，設(shè)計(jì)者在功率放大級(jí)采用半橋放大拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低復(fù)雜性和減少物料成本的目的。因?yàn)榘霕蚪Y(jié)構(gòu)輸出通常是全橋的一半，功率MOSFET和外部濾波器件的數(shù)量也就減少一半。這也增加了后端設(shè)備單位功率通道數(shù)的數(shù)量。然而，半橋放大器在輸出端也需要一個(gè)隔直電容，而且對(duì)供電干線上的噪聲也是極其敏感的。
在啟動(dòng)時(shí)，隔直流電容必須被充電到偏置點(diǎn)(高壓供電干線電壓的一半)。如果輸出信號(hào)沒(méi)有從地電位上升到偏置點(diǎn)，就會(huì)在揚(yáng)聲器中產(chǎn)生很大的“噗”聲(開(kāi)機(jī)沖擊聲)。新型的D類放大器采用預(yù)充電電容使啟動(dòng)時(shí)揚(yáng)聲器保持無(wú)聲。
使揚(yáng)聲器在隔直電容充電時(shí)保持無(wú)沖擊聲的方法之一是使用數(shù)字電壓提升技術(shù)，也就是使PWM占空比從非開(kāi)關(guān)狀態(tài)緩慢增加到50%。這將不會(huì)在揚(yáng)聲器中產(chǎn)生較大的“噗”聲，但由于MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生大量的瞬態(tài)電流，揚(yáng)聲器也不是沒(méi)有聲音的。
使揚(yáng)聲器在隔直電容充電時(shí)保持無(wú)沖擊聲的另一種方法是模擬電壓提升技術(shù)。在這種類型的電壓提升過(guò)程中，一個(gè)電流源將電容充電到偏置點(diǎn)。一旦電容兩端的電壓達(dá)到偏置點(diǎn)，電流源就會(huì)關(guān)閉。
電源反饋
由于半橋是單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就不存在差分全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的共模抑制。在一個(gè)全橋放大器中，由于放大器的差分輸出是從同一個(gè)電壓源供電的，公共電壓源上的噪聲將在輸出端抵消。在半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，放大器供電電源上的任何交流紋波噪聲都將直接耦合到輸出端。由于半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)電源供電噪聲的敏感，常常需要提供供電抑制反饋(PSR)電路來(lái)進(jìn)行降噪。
模擬D類放大器有許多本身固有的PSR特性，而完全的數(shù)字D類放大器則沒(méi)有。在目前的數(shù)字PSR方案中，通常采用一個(gè)外部的ADC來(lái)監(jiān)視放大器的供電電源。
反饋和噪聲抵消處理是在調(diào)制器的數(shù)字域中進(jìn)行的。有些制造商僅將這種反饋方法用于補(bǔ)償那些降低系統(tǒng)性能的從供電干線上耦合進(jìn)PWM輸出端的交流噪聲的影響。另外一些制造商也將其用于補(bǔ)償由于負(fù)載變化而引起的直流供電電壓的改變(電壓降落)，例如，低音單元(超重低音揚(yáng)聲器)所需要的快速浪涌電流，或者供電線路的電壓波動(dòng)。交流和直流器件中PSR反饋所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)擴(kuò)展到了全橋放大器，并改善了目前多通道家庭影院放大器中通道間的隔離，在串?dāng)_和線路電壓改變到達(dá)輸出之前有效地抵消了它們。