D类音频放大器设计-概念-原理和方法

©2008AnalogDevices,Inc.AllRightsReserved.类音频放大器设计：概念、原理和方法作者：EricGaalaasD类放大器首次提出于1958年，近些年已逐渐流行起来。那么，什么是D类放大器?它们与其它类型的放大器相比如何?为什么D类放大器对于音频应用很有意义?设计一个“优质”D类音频放大器需要考虑哪些因素?ADI公司D类放大器产品的特点是什么?本文中试图回答上述所有问题。音频放大器背景音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。音频频率范围约为20Hz～20kHz，因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应（当驱动频带有限的扬声器时频率范围减小，例如，低音扬声器或高音扬声器）。输出功率能力根据应用情况变化范围很宽，从数毫瓦(mW)的耳机，几瓦(W)的电视(TV)或个人计算机(PC)音频，几十瓦的“迷你”家庭音响和汽车音频，到几百瓦和几百瓦以上大功率的家用和商用音响系统，以及剧场或音乐厅音响系统。一种音频放大器的直接模拟实现使用晶体管在线性工作方式下产生一个与输入电压成比例的输出电压。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，那么总的环路增益也会很高。经常使用反馈环路，因为高环路增益可以改善性能，抑制由于正向路径中线性误差造成的失真，并且通过增加电源抑制(PSR)减少电源噪声。D类放大器的优点在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器，AB类放大器和B类放大器。与D类放大器设计相比较，即使是最有效的线性输出级，它们的输出级功耗也很大。这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板(PCB)面积和成本，并且能够延长便携式系统的电池寿命。线性放大器、D类放大器和功耗线性放大器输出级直接连接到扬声器（有些情况下通过电容器连接）。如果输出级使用双极性结型晶体管(BJT)，它们通常工图1.CMOS线性输出级作在线性方式下，具有大的集射极电压。输出级也可以用互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管实现，如图1所示。功率消耗在所有线性输出级，因为产生输出电压VOUT的过程中不可避免地会在至少一个输出晶体管内造成非零的IDS和VDS。功耗大小主要取决于对输出晶体管的偏置方法。A类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流(DC)电流源，能够提供扬声器需要的最大音频电流。A类放大器输出级可以提供优良的音质，但功耗非常大，因为通常有很大的DC偏置电流流过输出级晶体管（这是我们不期望的），而没有提供给扬声器（这是我们期望的）。B类放大器拓扑结构没有DC偏置电流，所以功耗大大减少。其输出晶体管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流。由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。但是B类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差（交越失真）。AB类放大器是A类放大器和B类放大器的组合折衷，它也使用DC偏置电流，但它远小于单纯的A类放大器。小的DC偏置电流足以防止交越失真，从而能提供良好的音质。其功耗介于A类放大器和B类放大器之间，但通常更接近于B类放大器。与B类放大器电路类似，AB类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。不幸的是，即使是精心设计AB类放大器也有很大的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。由于漏源极之间的电压降很大，所以会产生很大的瞬时功耗IDS×VDS。D类放大器由于具有不同的拓扑结构（见图2），其功耗远小于上面任何一类放大器。D类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲。这种波形有利于降低功耗，因为当输出晶体管在不导通时具有零电流，并且在导通时具有很低的VDS，因而产生较小的功耗IDS×VDS。图2.D类开环放大器框图OUTPUTSTAGEMHMLSPEAKERVOUTVINGROUND0VVSSVDDMODULATORSWITCHINGOUTPUTSTAGELOSSLESSLOW-PASSFILTER(LC)SPEAKERVINVOUT在箝位开始之初，A类放大器的Eff＝25%，B类放大器的Eff＝78.5%，D类放大器的Eff＝90%（见图5）。对于A类放大器和B类放大器，这些最佳例证经常在教科书中引用。©2008AnalogDevices,Inc.AllRightsReserved.由于大多数音频信号不是脉冲串，因此必须包括一个调制器将音频输入转换为脉冲信号。脉冲的频率成分包括需要的音频信号和与调制过程相关的重要的高频能量。经常在输出级和扬声器之间插入一个低通滤波器以将电磁干扰(EMI)减至最小，并且避免以太多的高频能量驱动扬声器。为了保持开关输出级的功耗优点，要求该滤波器（见图3）是无损的（或接近于无损）。低通滤波器通常采用电容器和电感器，只有扬声器是耗能元件。图3.差分开关输出级和LC低通滤波器图5.A类、B类和D类放大器输出级的功率效率比较图4是A类放大器和B类放大器输出级功耗(PDISS)的理想值与AD1994D类放大器输出级功耗的测量值的比较。图中的曲线是指给定的音频正弦波信号的输出级功率与扬声器提供的负载功率(PLOAD)之间的关系。其中负载功率相对最大负载(PLOADmax)功率水平归一化，箝位的正弦波信号保证10%总谐波失真(THD)。图中的垂直线表示PLOAD开始箝位的位置。可以看出，对于多种负载其功耗明显不同，尤其是在高端和中端值负载条件下。在箝位开始之初，D类放大器输出级的功耗约是B类放大器的1/2.5，是A类放大器的1/27。应当注意，消耗在A类放大器输出级的功率比传递到扬声器的功耗大，这是使用大的DC偏置电流的结果。输出级功率效率Eff定义如下：DISLOADLOADPPPEff+=功耗和功率效率的差异在中等功率水平处很大。这对于音频很重要，因为大音量音乐的长期平均功率水平要比达到PLOADmax的瞬时峰值水平低很多（为其1/5到1/20，取决于音乐类型）。因而，对于音频放大器，[PLOAD=0.1×PLOADmax]是一个合理的平均功率水平，按照这个功率水平评估PDISS。在这个功率水平，D类放大器输出级的功耗是B类放大器的1/9，是A类放大器的1/107。对于10WPLOADmax的音频放大器，1W的平均PLOAD认为是保真音频功率水平。在这种条件下，D类放大器输出级内部功耗为282mW，对于B类放大器为2.53W，对于A类放大器为30.2W。在这种情况下，D类放大器的效率从高功率条件下的90%减少到78%。但即使是78%也要远优于B类放大器和A类放大器，它们的效率分别为28%和3%。这些差别对于系统设计具有重要的影响。对于1W以上的功率水平，线性输出级的过大的功耗要求采用有效的散热方法以避免不可接受的发热，通常是使用大金属板作为散热板，或用风扇促进放大器空气散热。如果放大器是集成电路(IC)，就可能需要大尺寸、高成本的增强散热封装以促进热传导。这些考虑在消费类产品中很麻烦，例如平板电视，其印制电路板面积(PCB)面积很宝贵，或汽车音响，其发展趋势是在固定空间内增加通道数。对于1W以下的功率水平，处理浪费的功率可能比处理散热还困难。如果是电池供电，线性放大器输出级消耗电池电荷要比D类放大器快。在上面的例子中，D类放大器输出级耗费的电源电流是B类放大器的1/2.8，是A类放大器的1/23.6，因此它们用于蜂窝电话，PDA和MP3播放器等产品在电池的寿命方面有很大差别。迄今为止，我们为了简单起见，只是专门注重放大器输出级的分图4.A类、B类放大器和D类放大器输出级的功耗比较MHAMLAMHBMLBLLCCVSSVDD10.0010.010.10.010.11POWEREFFICIENCYNORMALIZEDLOADPOWER(PLOAD/PLOADMAX)CLASSAIDEALCLASSBIDEALCLASSDAD199xMEASURED©2008AnalogDevices,Inc.AllRightsReserved.析。但是当考虑放大器系统中所有功耗时，线性放大器要比低输出功率D类放大器更有利。原因是在低功率水平条件下，产生和调制开关波形所需要的功率会很大。因而，精心设计的低中功率的AB类放大器的宽系统静态功耗优势使得它们可与D类放大器相竞争。虽然对于宽的输出功率范围，毫无疑问D类放大器具有低功耗优势。D类放大器术语以及差分方式与单端方式的比较图3示出D类放大器中输出晶体管和LC滤波器的差分实现。这个H桥具有两个半桥开关电路，它们为滤波器提供相反极性的脉冲，其中滤波器包含两个电感器、两个电容器和扬声器。每个半桥包含两个输出晶体管，一个是连接到正电源的高端晶体管MH，另一个是连接到负电源的低端晶体管ML。图3中示出的是高端pMOS晶体管。经常采用高端nMOS晶体管以减小尺寸和电容，但需要特殊的栅极驱动方法控制它们（见深入阅读资料1）。全H桥电路通常由单电源(VDD)供电，接地端用于接负电源端(VSS)。对于给定的VDD和VSS，H桥电路的差分方式提供的输出信号是单端方式的两倍，并且输出功率是其四倍。半桥电路可由双极性电源或单极性电源供电，但单电源供电会对DC偏置电压产生潜在的危害，因为只有VDD/2电压施加到过扬声器，除非加一个隔直电容器。“激励”的半桥电路电源电压总线可以超过LC滤波器的大电感器电流产生的标称值。在VDD和VSS之间加大的去耦电容器可以限制激励dV/dt的瞬态变化。全桥电路不受总线激励的影响，因为电感器电流从一个半桥流入，从另一个半桥流出，从而使本地电流环路对电源干扰极小。音频D类放大器设计因素虽然利用D类放大器的低功耗优点有力推动其音频应用，但是有一些重要问题需要设计工程师考虑，包括：•输出晶体管尺寸选择•输出级保护•音质•调制方法•抗电磁干扰(EMI)•LC滤波器设计•系统成本输出晶体管尺寸选择选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗。当传导大的IDS时保证VDS很小，要求输出晶体管的导通电阻(RON)很小（典型值为0.1Ω～0.2Ω）。但这要求大晶体管具有很大的栅极电容(CG)。开关电容栅极驱动电路的功耗为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，这个“开关损耗”就会过大，所以存在实际的上限。因此，晶体管尺寸的选择是传导期间将IDS×VDS损失降至最小与将开关损耗降至最小之间的一个折衷。在高输出功率情况下，功耗和效率主要由传导损耗决定，而在低输出功率情况下，功耗主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其器件的RON×CG减至最小以减少开关应用中的总功耗，从而提供开关频率选择上的灵活性。输出级保护输出级必须加以保护以免受许多潜在危险条件的危害：过热:尽管D类放大器输出级功耗低于线性放大器，但如果放大器长时间提供非常高的功率，仍会达到危害输出晶体管的水平。为了防止过热危险，需要温度监视控制电路。在简单的保护方案中，当通过一个片内传感器测量的温度超过热关断安全阈值时，输出级关断，并且一直保持到冷却下来。除了简单的有关温度是否已经超过关断阈值的二进制指示以外，传感器还可提供其它的温度信息。通过测量温度，控制电路可逐渐减小音量水平，减少功耗并且很好地将温度保持在限定值范围内，而不是在热关断期间强制不发出声音。输出晶体管过流:如果输出级和扬声器端正确连接，输出晶体管呈低导通电阻状态不会出现问题，但如果这些结点不注意与另一个结点或正、负电源短路，会产生巨大的电流。如果不经核查，这个电流会破坏晶体管或外围电路。因此，需要电流检测输出晶体管保护电路。在简单保护方案中，如果输出电流超过安全阈值，输出级关断。在比较复杂的方案中，电流传感器输出反馈到放大器中，试图限制输出电流到一个最大安全水平，同