應用可攜式設備中的D類音頻放大器介紹

應用可攜式設備中的D類音頻放大器介紹

電子設計 發表於 2019-03-26 09:10:00

雖然許多MCU的功能和複雜性可以支持基本的音頻處理功能，並允許它們執行音頻記錄/回放等任務，管理MP3數位音樂流，並提供基本的警報聲，有時設計需要升級到更強大的音頻性能，這可以通過數字音頻架構實現採用D類放大器。

當固態音頻放大器在60年代後期開始進入消費者的高保真音響市場時，音響發燒友立即開始抱怨他們聽起來不像電子管放大器那麼好。我當時是一名音頻技師，他知道最好的固態放大器的總諧波失真（THD）低於最好的電子管放大器。我們當時並不知道瞬態互調失真（TIM），這在早期的固態放大器中確實更糟。這個問題可以說已經被淘汰了，但不要說是管愛好者。

那些早期的固態立體聲系統具有AB類輸出級。可以通過簡單的LC濾波器將一個脈衝寬度調製（PWM）信號推入揚聲器的D類能真正為您提供高質量的音頻嗎？令人驚訝的是，答案是肯定的。

具有類別的放大器

不同類別的放大器反映了效率，功率和失真之間的不同折衷：

A類放大器（圖1）在整個輸入周期內導通，使其具有高線性和極低效率即使沒有信號，它們也能吸收電流。通過電感耦合，A類放大器可以達到50％的效率;通過電容耦合，它們只能達到25％。 A類放大器使用單個器件，因此交叉失真沒有問題。運算放大器通常是A類放大器，大多數商用音頻放大器的增益級也是如此。

圖1：A類放大器。

B類放大器僅放大輸入波形的一半，因此它們通常在推挽式布局中實現為互補對（圖2）。由於輸出設備很少完全匹配，因此會產生交叉失真。通過偏置電晶體可以減少交叉失真，使得非導通電晶體永遠不會完全關閉，稱為AB類操作，犧牲了一些效率以獲得更大的線性度。 AB類放大器可實現60％至65％的效率和良好的線性度。安森美半導體的NCS2211可以以0.2％THD + N為8Ω揚聲器提供1 W輸出。

圖2：推挽B類放大器。

C類放大器的效率可達90％，但非線性，因為它們在不到一半的信號周期內導通（圖3）。 RF放大器通常以C類運行，但幾乎總是饋送調諧電路，以諧振頻率平滑波形。但是，通常需要進一步濾波以消除諧波和其他雜散輻射。

圖3：C類放大器。

D類放大器由開關功率放大器架構組成，利用脈衝寬度調製（PWM）產生輸出波形;在音頻應用中，它們的輸出然後通過LC濾波器饋送，以在被饋送到揚聲器或其他輸出設備之前將其轉換回模擬形式。圖4顯示了一個簡單的D類信號圖。

圖4：D類功率放大器信號圖（由Silicon Labs提供）。

D類輸出級通常由一對廉價的MOSFET組成，這些MOSFET在任何給定時間都可以完全開啟或完全關閉。由於MOSFET在接通時具有非常低的內部電阻，因此輸出級非常高效，使得高功率放大器比同等的AB類設計更加緊湊。 D類放大器在高功率水平下可實現超過90％的效率，可實現比同類AB類設計所需的更小的散熱片，電源和PCB空間，這在可攜式應用中尤為重要。這是個好消息。壞消息，或者至少是抬頭，低失真模擬D類放大器設計起來並不簡單。幸運的是，有許多解決該問題的現成解決方案，以及一些非常適合與傳統的D類功率放大器配合使用的MCU。

D-tails中的魔鬼

與直接模擬A類/AB類信號鏈相比，使用D類輸出級的任何音頻設備必須首先將輸入信號數位化，因此產生多個來源音頻被放大之前的失真：

採樣率：數位訊號不能包含高於採樣（奈奎斯特）速率一半的頻率，否則會出現混疊，導致信息丟失。 CD質量聲音以44.1 kHz採樣，可以再現高達22 kHz的聲音。

PWM切換速率：這應該比最高輸入頻率快至少10倍，以便精確地重建輸入信號。

PWM解析度控制：需要高解析度控制來減少輸出量化失真。

在D類放大器的輸出端使用簡單的LC濾波器可能看起來像DAC的原始替代品，其次是模擬重建濾波器，它是;但是當你處理10到100 W +範圍內的放大器時，沒有任何明顯的選擇。話雖如此，使用一些簡單的電路可以獲得非常令人滿意的結果。

Silicon Labs D類工具箱套件是一款基於USB的演示和評估套件，允許開發人員使用SiM3U164（一種基於ARM Cortex-M3的MCU，兩個12位）為32位嵌入式設計添加數字D類音頻功能。位ADC，兩個10位DAC，高達80 MHz的精細頻率解析度和擴頻模式，可降低EMI。 D類放大器級的輸出網絡（圖5）由鐵氧體磁珠，LC濾波器和接地電容組成。鐵氧體磁珠消散了EMI噪聲作為熱量，LC元件濾除了PWM噪聲，接地電容和揚聲器（另一個LC網絡）的組合提供了額外的濾波。元件參數隨信號量，帶寬，噪聲諧波以及低音量和高音量的嘶嘶聲而變化。

圖5：D類工具欄輸出網絡（由Silicon Labs提供）。

Silicon Labs還提供完整的D類參考設計，一種基於Si8241 D類音頻驅動器的雙通道，雙態，半橋D類音頻放大器（圖6）。 Si8241包括兩個高/低側驅動器和一個集成的死區時間發生器，可提供精確控制以實現最佳THD。使用與上述相同的基本輸出電路，該立體聲放大器可將每通道120 W的功率提供至8Ω，同時在60 W和》 95 dB SNR時實現《0.02％的THD。這與我們之前討論的AB類放大器一樣好或更好。

圖6：基於Si824x的D類音頻驅動器框圖（由Silicon Labs提供）。

其他D類選項

恩智浦TFA9881 D類音頻放大器面向可攜式應用。 TFA9881接收過採樣脈衝密度調製（PDM）比特流，採用二階閉環架構，提供高質量音頻以及高電源電壓紋波抑制。音頻輸出的額定功率為2.7 W，4Ω/20μH負載，THD為1％。

德州儀器公司還提供其TPA2025D1 D類音頻功率放大器。 TPA2025D1包括電池跟蹤AGC技術和集成的G類升壓轉換器，可在低輸出功率下提高效率。它驅動高達1.9 W的8Ω揚聲器，THD + N為1％。

需要環繞聲嗎？ TI的LM48901四類D類空間陣列為可攜式多媒體設備創建了增強的聲場。 LM48901的18位立體聲差分輸入ADC處理模擬立體聲信號;其D類輸出級利用TI的邊沿速率控制（ERC）架構，在保持音頻質量和效率的同時減少射頻輻射。 LM48901可為4Ω負載提供2.8 W/通道連續輸出功率，THD + N 《10％。

Cirrus Logic採用靈活的CS35L01高效混合D類音頻放大器。標準D類（SD）模式提供全音頻帶寬和高音頻性能;混合D類（HD）模式通過集成的H類控制器大大降低了空閒功耗（G類和H類使用「軌道切換」來降低功耗並提高效率，這些放大器提供多個不同電壓的電源軌並切換它們之間隨著信號輸出接近每個電平，從而減少輸出電晶體處的浪費功率）。降低頻率等級D（FSD）模式可降低輸出開關頻率，從而產生較低的電磁幹擾（EMI）;和降低頻率混合D類（FHD）模式可以產生較低的HD模式空閒功耗和FSD模式降低的EMI優勢。在SD和HD模式下，晶片的額定功率為1 W，THD + N為0.02％。 Cirrus Logic還為CS35L01提供參考設計。

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