D類放大器逐漸成為高端家用A/V設(shè)備以及移動設(shè)備的首選拓?fù)?，能夠幫助設(shè)計者實現(xiàn)高性能與小尺寸組合，而這正是全世界用戶所期望和需要的?，F(xiàn)在，高集成度D類放大器件，包括單個封裝內(nèi)的整個放大器模塊 - 的出現(xiàn)讓企業(yè)能夠更快地將價格極具競爭力的新產(chǎn)品推向市場，并且其音頻性能達到或者超過了傳統(tǒng)的模擬放大器。
D類音頻放大器可以在90%左右的效率水平下運行，讓設(shè)計者能夠利用小型散熱器或者無需散熱器即可提供極高的音頻輸出。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)新的小型音頻產(chǎn)品，而這是利用傳統(tǒng)的模擬AB類放大器無法實現(xiàn)的。
然而，從頭設(shè)計D類放大器并非易事。巨大的挑戰(zhàn)在于確保放大器能夠安全運行。但是，如果可以實現(xiàn)這一點，音頻性能或多或少是可以預(yù)知的，并且主要取決于所用元件的質(zhì)量。
本文將比較AB類和D類放大器的設(shè)計與性能，介紹D類設(shè)計相關(guān)的主要挑戰(zhàn)，說明更高的集成度如何幫助工程師更快的完成設(shè)計和實現(xiàn)成本與性能目標(biāo)。
模擬與數(shù)字放大器設(shè)計
多年以來，AB類模擬拓?fù)湟褟V泛用于整個音頻行業(yè)。AB類操作結(jié)合了A類操作(其中，輸出晶體管永遠(yuǎn)不會關(guān)閉，導(dǎo)致功耗居高不下)和B類操作(其中，每個器件都只會接通半個信號周期(180度)，從而大幅降低了功耗)。在AB類放大器內(nèi)，各個輸出器件都會接通200度左右，犧牲了一定的能效，但是產(chǎn)生了少量重疊，從而減輕了一個器件關(guān)閉，另一個器件接通時的交越失真。
為了利用AB類放大器實現(xiàn)盡可能最高的音頻保真度，設(shè)計者必須以最佳的方式偏置晶體管，以便操作保持在線性區(qū)域內(nèi)和將交越失真最小化。器件選擇和電路布局也會影響聲音的質(zhì)量和類型，從而讓設(shè)計者能夠針對某些應(yīng)用和環(huán)境優(yōu)化之。通常，AB類放大器的工作效率為30-35%。這比純A類設(shè)計15-30%的效率高得多，但是需要添加大型散熱器，從而增加了成品的成本和體積。
過去，設(shè)備采購商易于接受高級高保真音響和音/視頻設(shè)備體積大的問題。然而，當(dāng)今對高性能移動設(shè)備和更流行的超薄家用多媒體系統(tǒng)的需求越來越需要能夠提供同等或更高音質(zhì)、占用的PCB面積更小、工作效率更高、能耗更低、需要更少散熱器的數(shù)字放大器。
在D類放大器中，輸出晶體管是在開關(guān)模式下運行，而不是在線性區(qū)域內(nèi)運行，這樣就讓設(shè)計者能夠提供當(dāng)今終端用戶期望的外形更小巧、能效更高的產(chǎn)品。在輸出端，利用低通濾波器去除開關(guān)載波信號及其諧波，從而產(chǎn)生高質(zhì)量放大音頻信號。
D類放大器的通用功能模塊如圖1所示。將輸入音頻信號與高頻鋸齒波形對比，生成輸入的脈寬調(diào)制方波表達式。鋸齒波頻率通常在400kHz上下。這正好在音頻信號頻率范圍之外，因此有助于簡化輸出濾波器設(shè)計。
圖1：D類放大器的主要功能模塊。
然后，音頻信號的脈寬調(diào)制等效信號被用于驅(qū)動放大器輸出級，它是全橋或者半橋MOSFET陣列。輸出拓?fù)溥x擇取決于系統(tǒng)要求，例如成本、功率輸出和電源設(shè)計。例如，半橋輸出級需要正、負(fù)供電。另一方面，全橋能夠由單電源供電，并且還能為給定的電源電壓產(chǎn)生較高的輸出。
在這兩種情況下，輸出MOSFET的特性均針對D類音頻放大器操作進行了優(yōu)化，從而能夠?qū)崿F(xiàn)效率最大化，并保證低總諧波失真+噪聲(THD+ N)和EMI。這需要低導(dǎo)通電阻(用于在終端產(chǎn)品內(nèi)實現(xiàn)高電源密度)以及優(yōu)化的柵極電荷和體二極管反向恢復(fù)特性(用于實現(xiàn)快速且高效的交換)。
放大的音頻信號包含在MOSFET橋輸出端處的方波內(nèi)。低通濾波消除了音頻外頻率，恢復(fù)了純音頻信號以便驅(qū)動揚聲器。
D類設(shè)計挑戰(zhàn)
由于功率晶體管不是處于硬開狀態(tài)，就是處于全關(guān)狀態(tài)，所以設(shè)計者無需做任何調(diào)整就可以優(yōu)化性能。然而，PWM變換級必須得到很好的保護，并且需要精確的柵極控制和低脈寬失真，以及高、低端驅(qū)動信號要匹配，方可將死區(qū)時間最小化，進而實現(xiàn)最佳線性度。
開發(fā)風(fēng)險很高，設(shè)計D類放大器本來就是一個功率電子挑戰(zhàn)，需要具備開關(guān)控制和保護電路設(shè)計方面的知識。如果設(shè)計階段沒有正確解決這些問題，那么原型就可能無法運行或者在測試時出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。如果發(fā)生了這類故障，那么查明和修正這些缺陷就會非常困難，并且還會額外增加成本和導(dǎo)致項目延期完成。
參照圖1，就能夠確定與放大器的主要功能模塊相關(guān)的主要設(shè)計挑戰(zhàn)了。
誤差放大器和噪聲隔離
音頻放大器的主要品質(zhì)因數(shù)為噪聲和總諧波失真(THD)。在D類放大器中，這些是由缺陷造成的，包括有限的開關(guān)時間、過上/下沖和電源波動。要將這些影響降至最低水平，就需要仔細(xì)設(shè)計適當(dāng)?shù)恼`差放大器，它能夠通過比較輸入和輸出音頻信號來修正輸出級內(nèi)的缺陷。然而，A類或AB類設(shè)計所用的典型誤差放大器不適于D類音頻放大器的嘈雜環(huán)境。購買合適的運算放大器和確保足夠高的抗噪性可能會很困難而且代價高昂。
就噪聲隔離而言，D類拓?fù)湟笄?、后端要盡可能地靠近彼此。在分立式解決方案中，設(shè)計者必須決定如何將輸入端的噪聲敏感型模擬電路與輸出級產(chǎn)生的潛在破壞性開關(guān)噪聲隔離開來。集成式D類放大器模塊讓設(shè)計者能夠繞開這些挑戰(zhàn)。然而，利用適當(dāng)?shù)钠骷?個電路之間實現(xiàn)充分的電隔離至關(guān)重要。
PWM比較器和電平移位
誤差放大器處理完輸入音頻信號并產(chǎn)生形狀適當(dāng)?shù)妮敵鲋?，比較器會將該模擬信號轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制(PWM)信號。
柵極驅(qū)動和MOSFET開關(guān)
柵極驅(qū)動級接收來自于比較器的PWM信號。這個階段，在高端和低端MOSFET的導(dǎo)通相之間插入死區(qū)時間，用以防止過大的電流流過電橋。死區(qū)時間消除了輸出MOSFET開關(guān)延遲時間的影響，開關(guān)延遲會產(chǎn)生破壞性直通電流通行，因此能夠保證安全操作。然而，插入死區(qū)時間還會導(dǎo)致非線性，從而產(chǎn)生不必要的失真。
精確的柵極控制是實現(xiàn)高音頻性能的關(guān)鍵。柵極驅(qū)動器必須具有脈寬失真低的特性，并且高、低端柵極驅(qū)動器級之間要匹配。這2個特性對于將死區(qū)時間最小化以便實現(xiàn)線性放大器性能而言至關(guān)重要。事實上，死區(qū)時間插入通常被視為D類放大器交換級設(shè)計中最關(guān)鍵的部分。
保護電路
由于MOSFET的功耗與負(fù)載電流的平方成正比，所以保護電路通常要監(jiān)測負(fù)載電流，以便防止在過載條件下發(fā)生MOSFET故障。外部分流電阻器通常用于負(fù)載電流檢測，但是電阻選擇和噪聲濾波等方面也很關(guān)鍵。這會增加整個解決方案的成本和物理尺寸，并且會拖延項目完成時間。
還需要保護電路來解決由于功率級的關(guān)鍵電流環(huán)路通道內(nèi)的雜散電感而產(chǎn)生的其它開關(guān)噪聲的影響。
