浅谈音频放大器背景及D类放大器优势.docx
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浅谈音频放大器背景及D类放大器优势
浅谈音频放大器背景及D类放大器优势
最近几年首次提出的D类放大器近年来越来越受欢迎。
什么是D类放大器？
它们与其他类型的放大器相比如何？
为什么D类对音频感兴趣？
制作“好”的D类音频放大器需要什么？
ADI的D类放大器产品有哪些特性？
在以下页面中找到所有这些问题的答案。
音频放大器背景
音频放大器的目标是在产生声音的输出元件上再现输入音频信号，并具有所需的音量和功率水平-忠实，高效，低失真。
音频频率范围从大约20Hz到20kHz，因此放大器必须在此范围内具有良好的频率响应（驱动带限扬声器时较少，例如低音扬声器或高音扬声器《/em》的）。
电源功能因应用而异，从耳机中的毫瓦到电视或PC音频的几瓦，到“迷你”家用立体声和汽车音响的几十瓦，到数百瓦以及更强大的家用和商用。
声音系统-以及用声音填充剧院或礼堂。
音频放大器的简单模拟实现使用线性模式的晶体管来创建输出电压，该输出电压是输入电压的缩放副本。
正向电压增益通常很高（至少40dB）。
如果正向增益是反馈环路的一部分，则总环路增益也会很高。
通常使用反馈，因为高环路增益可以改善由前向路径中的非线性引起的性能抑制失真，并通过增加电源抑制（PSR）来降低电源噪声。
D类放大器优势
在传统的晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。
音频系统的许多可能实现包括A类，AB类和B类。
与D类设计相比，即使是最有效的线性，输出级功耗也很大输出阶段。
这种差异在许多应用中具有D类显着优势，因为较低的功耗可产生较少的热量，节省电路板空间和成本，并延长便携式系统的电池寿命。
线性放大器，D类放大器和电源耗散
线性放大器输出级直接连接到扬声器（在某些情况下通过电容器）。
如果在输出级中使用双极结型晶体管（BJT），它们通常以线性模式工作，具有大的集电极-发射极电压。
输出级也可以用MOS晶体管实现，如图1所示。
电源在所有线性输出级耗散，因为产生VOUT的过程在至少一个输出晶体管中不可避免地导致非零IDS和VDS。
功耗量很大程度上取决于偏置输出晶体管的方法。
A类拓扑结构使用其中一个晶体管作为直流电流源，能够提供扬声器所需的最大音频电流。
A类输出级可以获得良好的音质，但功耗很大，因为大的直流偏置电流通常流入输出级晶体管（我们不需要它），而不是交付扬声器（我们确实需要它）。
B类拓扑结构可消除直流偏置电流，并显着降低功耗。
其输出晶体管以推挽方式单独控制，允许MH器件向扬声器提供正电流，ML用于吸收负电流。
这降低了输出级功耗，仅通过晶体管传导信号电流。
然而，由于非线性行为（交叉失真），当输出电流通过零并且晶体管在开启和关闭条件之间变化时，B类电路的声音质量较差。
《p》AB类是A类和B类的混合折衷方案，它使用一些直流偏置电流，但远低于纯A类设计。
小的直流偏置电流足以防止交叉失真，从而实现良好的音质。
功耗尽管在A类和B类限制之间，但通常更接近B类。
需要一些类似于B类电路的控制，以允许AB类电路提供或吸收大输出电流。
不幸的是，即使设计精良的AB类放大器也具有显着的功耗，因为其中端输出电压通常远离正或负电源轨。
因此，大的漏源电压降会产生显着的IDS×VDS瞬时功耗。
由于采用了不同的拓扑结构（图2），ClassD放大器的耗电量远低于上述任何一种。
其输出级在正电源和负电源之间切换，以产生一系列电压脉冲。
该波形对于功耗是有利的，因为输出晶体管在不切换时具有零电流，并且在它们导通电流时具有低VDS，因此给出较小的IDS×VDS。
由于大多数音频信号不是脉冲序列，因此必须包含调制器将音频输入转换为脉冲。
脉冲的频率内容包括期望的音频信号和与调制过程有关的显着的高频能量。
通常在输出级和扬声器之间插入低通滤波器，以最小化电磁干扰（EMI）并避免以过高的高频能量驱动扬声器。
滤波器（图3）需要无损耗（或几乎如此），以保持开关输出级的功耗优势。
滤波器通常使用电容器和电感器，唯一有意耗散的元件是扬声器。
图4比较了A类和B类放大器的理想输出级功耗（PDISS）和AD1994D类放大器的测量功耗，给出音频正弦波信号，绘制传送到扬声器的功率（PLOAD）。
功率数归一化为功率电平，PLOADmax，正弦频率被剪切到足以导致10％的总谐波失真（THD）。
垂直线表示削波开始的PLOAD。
对于各种负载，功耗的显着差异是可见的，特别是在高和中等价值。
在削波开始时，D类输出级的耗散比B类低约2.5倍，比A类低27倍。
注意，A类输出级消耗的功率大于传送到扬声器的功率-a使用大直流偏置电流的结果。
输出级功率效率Eff定义为
在削波开始时，A类放大器的Eff=25％，B类放大器为78.5％，D类放大器为90％（见图5））。
A类和B类的最佳案例值是教科书中经常提到的值。
在中等功率水平下，功耗和效率的差异会扩大。
这对于音频来说非常重要，因为嘈杂音乐的长期平均水平要低于瞬时峰值水平（取决于音乐类型的5到20倍），接近PLOAD《/sub》max。
因此，对于音频放大器，［PLOAD=0.1×PLOADmax］是合理的平均功率电平在哪里评估PDISS。
在此级别，D类输出级功耗比B类低9倍，比A类低107倍。
对于10WPLOAD的音频放大器max，1W的平均PLOAD可以被认为是真实的听力水平。
在这种情况下，D类输出级内的功耗为282mW，B类为2.53W，A类为30.2W。
在这种情况下，D类效率降至78％-从更高功率的90％。
但即使78％也比B级和A级效率好得多-分别为28％和3％。
这些差异对系统设计有重要影响。
对于高于1W的功率水平，线性输出级的过度耗散需要显着的冷却措施以避免不可接受的加热-通常通过使用大块金属作为散热器，或使用风扇将空气吹过放大器。
如果放大器被实现为集成电路，则可能需要庞大且昂贵的热增强封装以促进热传递。
这些考虑因素在消费类产品中非常繁重，例如平板电视，其中空间是高级或汽车音响，其趋势是将更高的通道数量塞入固定空间。
对于以下功率水平1W，浪费的电力可能比发热更困难。
如果使用电池供电，线性输出级将比D类设计更快地耗尽电池电量。
在上面的例子中，D类输出级消耗的电源电流比B类低2.8倍，比A类低23.6倍，导致手机，PDA和MP3播放器等产品的电池使用寿命大不相同。
为简单起见，迄今为止的分析主要集中在放大器输出级。
然而，当考虑放大器系统中的所有功率耗散源时，线性放大器可以在低输出功率水平下比D类放大器更有利。
原因是产生和调制开关波形所需的功率在低电平时可能是显着的。
因此，精心设计的低至中等功率AB类放大器的系统级静态耗散可以使它们与D类放大器竞争。
不过，对于更高的输出功率范围，D类功耗无疑是优越的。
D类放大器术语，以及差分与单端版本
图3显示了D类放大器中输出晶体管和LC滤波器的差分实现。
该H桥具有两个半桥开关电路，其向滤波器提供相反极性的脉冲，其包括两个电感器，两个电容器和扬声器。
每个半桥包含两个输出晶体管-连接到正电源的高侧晶体管（MH）和连接到负电源的低侧晶体管（ML）。
这里的图表显示了高端pMOS晶体管。
高端nMOS晶体管通常用于减小尺寸和电容，但需要特殊的栅极驱动技术来控制它们（进一步阅读1）。
全H桥电路通常从单电源（VDD）开始，接地用于负电源端子（VSS）。
对于给定的VDD和VSS，桥的差分特性意味着它可以提供两倍的输出信号和四倍于单端实现的输出功率。
半桥电路可以由双极电源或单电源供电，但单电源版本会在扬声器上施加潜在有害的直流偏置电压VDD/2，除非阻塞电容器添加。
半桥电路的电源电压总线可以通过LC滤波器的大电感电流“泵浦”超过其标称值。
通过在VDD和VSS之间添加大的去耦电容，可以限制泵浦瞬态的dV/dt。
全桥电路不会受到总线泵浦的影响，因为流入其中一个半桥的电感电流流出另一个半桥，从而产生局部电流环路，最大限度地干扰电源。
音频D类放大器设计中的因素
较低的功耗为使用D类音频应用提供了强烈动力，但设计人员面临着重大挑战。
这些包括：
输出晶体管尺寸的选择
输出级保护
声音质量
调制技术
EMI
LC滤波器设计
系统成本
输出晶体管尺寸的选择
输出晶体管选择尺寸以优化各种信号条件下的功耗。
在执行大型IDS时确保VDS保持较小需要导通电阻（RON）输出晶体管很小（通常为0.1欧姆至0.2欧姆）。
但这需要具有显着栅极电容的大晶体管（CG）。
切换电容的栅极驱动电路消耗功率CV2f，其中C是电容，V是充电期间的电压变化，f是开关频率。
如果电容或频率太高，则“开关损耗”变得过大，因此存在实际的上限。
因此，晶体管尺寸的选择是在导通期间最小化IDS×VDS损耗之间的权衡。
最小化切换损失。
在高输出功率水平下，导通损耗将主导功耗和效率，而在低输出水平时，功耗由开关损耗决定。
功率晶体管制造商尝试最小化其器件的RON×CG产品，以降低器件的总功耗切换应用，并提供开关频率选择的灵活性。
保护输出级
必须保护输出级免受多种潜在危险情况的影响：
过热：
D级的输出级功耗虽然低于线性放大器，但如果放大器被强制使用，仍会达到危及输出晶体管的水平长时间提供非常高的功率。
为了防止危险的过热，需要温度监控控制电路。
在简单的保护方案中，当由片上传感器测量的温度超过热关断安全阈值时，输出级关闭，并保持关闭直至其冷却。
除了关于温度是否超过关闭阈值的简单二进制指示之外，传感器还可以提供额外的温度信息。
通过测量温度，控制电路可逐渐降低音量，降低功耗并将温度保持在极限范围内，而不是在热关机事件期间强制出现明显的静音时间。
输出晶体管中的电流过大：
如果输出级和扬声器端子正确连接，输出晶体管的低on电阻不成问题，但是大电流可以结果，如果这些节点无意中彼此短路，或者与正或负电源短路。
如果不加以控制，这种电流会损坏晶体管或周围电路。
因此，需要电流感测输出晶体管保护电路。
在简单的保护方案中，如果输出电流超过安全阈值，则关闭输出级。
在更复杂的方案中，电流传感器输出被反馈到放大器中，以将输出电流限制到最大安全水平，同时允许放大器连续运行而不关闭。
在这些方案中，如果尝试限制证明无效，则可以强制关闭作为最后的手段。
由于扬声器谐振，有效电流限制器还可以在存在瞬时大瞬态电流的情况下保持放大器安全运行。
欠压：
大多数开关输出级只有当正电源电压足够高时，电路才能正常工作。
如果存在电压过低的欠压条件，则会出现问题。
此问题通常由欠压锁定电路处理，该电路允许输出级仅在电源电压高于欠压锁定阈值时才能运行。
输出晶体管导通时序：
MH和ML输出级晶体管（图6）具有非常低的on电阻。
因此，重要的是避免MH和ML同时导通的情况，因为这将通过晶体管产生从VDD到VSS的低阻抗路径。
一个大的直通电流。
充其量，晶体管会升温并浪费电力;在最坏的情况下，晶体管可能会损坏。
晶体管的先断后合控制通过在接通之前强制关闭两个晶体管来防止击穿条件。
两个晶体管关闭的时间间隔称为非重叠时间或死区时间。
声音质量
必须解决几个问题才能在D类放大器中获得良好的整体音质。
点击和弹出，当放大器开启时会发生或者关闭可能非常烦人。
不幸的是，除非在放大器静音或取消静音时仔细注意调制器状态，输出级时序和LC滤波器状态，否则它们很容易引入D类放大器。
信噪比（SNR）：
为了避免放大器本底噪声发出嘶嘶声对于便携式应用，低功率放大器的SNR通常应超过90dB，中功率设计的信噪比应为100dB，高功率设计的信噪比应为110dB。
这对于各种放大器实现是可实现的，但是在放大器设计期间必须跟踪各个噪声源以确保令人满意的整体S
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