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D类放大器的常见问题解答 - 关于放大器选择及滤波器的概述


作者:John Guy
美国国家半导体公司

常见问题解答的第1部分提供了关于D类放大器的概论,并回答了如何进行选择放大器以及D类放大器滤波器的设计问题。

 

这部分的常见问题解答,主要是获取一些关于D类放大器的选取、应用以及测量方面的各种知识。常见问题解答主要强调的是用在0.5W到2W范围内的便携式媒体设备上的D类放大器,如手机、便携式DVD播放器以及便携式导航系统。当然,这部分信息的绝大多数还适用于输出功率从数毫瓦到数千瓦的D类放大器。

 

什么是D类放大器

 

D类放大器使用了脉冲宽度调制电路来保持其输出晶体管工作在全开或全关状态。换句话说,在任何时候,瞬时输出电压要么是一个供电电压,要么是另一个,当然这里忽略了在切换时的短暂过渡期。因此,输出电流从设备中没有明显电压下降而传导出来。

 

欧姆定律指出,功率等于电压乘以电流。D类放大器将这一等式中的电压部分保持近似为零,因此尽可能的避免了输出阶段的消耗功率。D类放大器比其他技术有着更好的优势,该类放大器的典型效率最高可达95%,平均效率也在80%的水平。D类放大器可以切换的频率高于音频带。大部分的D类放大器的切换频率为300K赫兹到2M赫兹。

 

为什么要使用D类放大器

 

因为D类放大器非常有效,充分利用了来自电池以及其他功率受限源的有限功率。此外,这种较高效率消除了很多放大器在低于10瓦输出功率时的散热要求。D类放大器并没有对其他邻近的元件以及其他拓扑结构造成散热影响,从而降低了环境的温度。另外,D类放大器的热效率使其可使用标准的IC封装,无需特别考虑散热问题。

 

何时使用D类放大器?

 

使用D类放大器并不适用于所有应用的最重要原因是输出的切换会造成电磁干扰。很多应用场合中,这种电磁干扰是可以容忍的,因此可认为这些设备满足了电磁兼容的认证,但设计师不选用D类放大器还有另外一些考虑。

 

D类放大器第二个要考虑的是他们的声音质量一般不如AB类放大器以及其他技术的好。尽管在纸面上比较这两种拓扑可能会导致这个结论,在一些终极的应用中,这往往不再是一个问题,因为扬声器的失真是系统失真的主要因素。

 

什么是半桥/单端D类放大器

 

半桥D类放大器每个通道都有一个输出。在半桥模式下(单端输出放大器同理)扬声器连接着双供电系统中的单个输出并接地。在单供电系统中,一个较大的电容用来阻止VCC/2直流电压通过扬声器的负载而出现。这个电容一般是几百微发或者更多,这取决于系统的低音要求和扬声器额阻抗。

 

什么是全桥/差分D类放大器

 

半桥放大器对于那些对称的双供电系统是非常好的。所需的直流阻止电容的成本及尺寸使得他们在单供电系统并不适用。

 

全桥D类放大器每个通道有两个输出。全桥放大器又被称作桥接负载(BTL)放大器或差分放大器。在全桥模式下,扬声器连接着两个输出端。D类放大器的输出偏置很低,因此无需隔直电容。

 

全桥放大器提供了尺寸最小的系统解决方案,也是D类放大器拓扑中最常见的。

 

是D类放大器还是“数字”放大器

 

在很多情况下,D类放大器不是数字放大器。这主要有几个理由。在一个基本的开环数字D类放大器中,放大器的功率供应抑制几乎为零。实际上,功率供应的幅度是用来音量控制的。纯数字放大器的另一个问题是在输出延迟、传输时间以及过冲的不匹配。这些综合起来就会产生输出的非线性现象,从而产生谐波失真。

 

幸运的是,模拟方法可以减轻上面的缺点。D类放大器的绝大多数使用了模拟域的全局反馈和纠错技术。这使得THD+N范围为0.01%,超过08dB的PSRR是常见的。

 

一些D类放大器是真正意义上的数字放大器。专用的数字电路弥补了输出限制的非线性。真正意义上的D类放大器实际上只占D类放大器芯片的一小部分。

 

半桥D类放大器相比于全桥放大器,有哪些优势?

 

半桥D类放大器使用更小的芯片,来得到同样数量级的功率,从而使得相对于真个芯片的成本而言,每瓦的成本最低。半桥设备在单供电系统中需要一个隔直电容,因而会抵消整个成本上的优势,另外还使得整个解决方法的尺寸变大。

 

在有很多大LED背光供电的应用中,如24V,使用半桥放大器会得到更好的性价比,对应的驱动负载为8Ω,每个输出通道获取8瓦-10瓦。

其他类型的放大器有哪些?

 

普遍采用的音频放大器有:

 

* A类

* B类

* AB类

* D类

* G类

* H类

 

通过搜索网页,读者可以得到这些类型放大器的描述。一些芯片制造商已经添加了“新型”类型来描述他们的D类的特殊类。有辨析能力的设计师将会看到这些器件的优点,而不会被最新的营销描述所迷惑。

 

D类的耳机放大器怎么样?

 

D类耳机放大器已经应有了很多年。它们的应用主要是围绕耳机本身的特点。D类放大器的较低的电磁干扰性能要求工程师控制导线的长度、导线的类型以及扬声器的负载阻抗。当用户将任何一个耳机连接到标准的耳机插孔上,所有这些控制都是徒劳的。实际上,耳机线本身是一个很好的天线,很多便携式设备都用它作为调频接收天线。

 

在一个自供电耳机中,这并没有什么问题。很多蓝牙耳机有全桥D类放大器来提供最佳的电池使用周期。在这样的系统中,耳机线会很短,负载阻抗也是已知的。

 

D类放大器可以工作在锂电池上吗?

 

用于便携式设备的D类放大器的标准工作电压为3V到4.2V,因此对于使用锂电池或锂聚合物电池十分理想。在这样的供电范围内,可用的功率随着电池电压变化而变化。例如,当负载为8Ω时,供电电压为3V就意味着功率为500mW,而电压变为4.2V时功率为1.1W。实际性能依赖于D类放大器。

 

如何在较大的供电范围内获取稳定的输出功率?

 

D类放大器的高效率使其成为升压供电系统的理想之选。一些负载为8Ω的应用需要输出功率为1W,而不考虑电池电压情况。在这样的系统中,使用D类放大器可以满足这样性能要求。

 

一些D类放大器有升压转换装置,如LM48510。这就为放大器提供了一个开关模式的电源供应,因此当电压超过5.5V时,D类放大器仍可以工作。这种方法的另一个好处是升压可以用作LED闪光灯或照明。

 

什么是无滤波式D类放大器

 

无滤波式D类放大器具有自适应输出调制功能,因此塔可用于直接连接扬声器,中间无需滤波器。无滤波式D类放大器可用在那些耳机线小于10cm的应用中。

 

如果是非无滤波式D类放大器,那么推荐使用一个滤波器。脉宽调制(PWM)波形会在扬声器的音圈中造成较高的I2R失真,进而减小了电池的寿命,并可能会破坏扬声器。

 

为什么我的无滤波式D类放大器中还有滤波器?

 

很多无滤波式D类放大器,如LM4675,在其演示板上依然包含了一个滤波器。这个滤波器是为了允许用户通过典型的示波器和音频分析仪来测试那个其D类放大器的性能。PWM波形比声音信号本身好强的多,因此可以驱动这些测试仪器的输入。该滤波器的出现允许使用标准的测试设备来对系统进行评估。

 

我是否需要一个滤波器用在D类放大器上?

 

在连接线较短的应用中,这个问题的回答是:不需要。一些D类放大器使用了扩频时钟来减小RF能量出现在输出上。边缘速率受限的电路减小了实际的RF能量渗到输出端。将扩频和边缘速率受限结合起来,例如LM48310,就可以实现最佳的电磁兼容认证,而无需输出滤波器。

 

如何为D类放大器设计滤波器?

 

L = (0.225 * RL) / fC

C= 0.113 / (RL * fC)

 

用于D类放大器的低通滤波器可以使用同一公式和(或)同样的软件,如扬声器天桥。在绝大多数应用中,二阶巴特沃斯传递函数会提供最佳组合性能,包括敏感度及成本。对于单端放大器而言,该公式可表示为:

 

L = (0.225 * RL) / fC

C= 0.113 / (RL * fC)

 

其中RL为扬声器的阻抗,fC为理想的截止频率,L和C分别为该滤波器的电感和电容。例如,当负载阻抗为8Ω和理想截止频率为30kHz时,电感值为60μH,电容值为0.47μF。

不幸的是,60μH是一个非标准的值,因此我们需要增加该值成为标准的68μH。通过逆推电感方程,可得新的截止频率为26.5kHz,因此我们会获得新的电容值为0.53μF,这可以通过将0.47μF的电容和6800pF的电容并联而近似得到。图1为该滤波器的原理图。

 

 

图1:单端D类放大器的输出滤波器。
图1:单端D类放大器的输出滤波器。

 

L1 = L2 = (0.113 * RL) / fC

CTOT = 0.225 / (RL * fC)

对于全桥D类放大器,上述公式可修改称如下所示:

L1 = L2 = (0.113 * RL) / fC

CTOT = 0.225 / (RL * fC)

 

CTOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1)

其中L1和L2是两个所需的电感,CTOT是总的负载电容。全桥D类放大器的负载电容通常可通过下列公式得到

 

CTOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1)

 

其中CS1和CS2分别是接地的并联电容,CD1是微分电容。例如,对于负载阻抗为8Ω和理想截止频率为30kHz时,电感为30μH,而电容为0.934μF。

 

不幸的是,30μH是非理想的值,因此需要修改该值成标准的33μH,从而需要逆推电感公式得到新的截止频率为27.4kHz,进而新的电容为1.03μF。可以将设置CD1=0.47μF,CS1=0.047μF,CS2=0.047μF来得到所需的CTOT,如图2所示。

 

 

图2:全桥D类放大器的滤波器。
图2:全桥D类放大器的滤波器。

 

这种分离滤波器电容方法的最大好处在于,这样可以得到很好的电磁兼容性能和良好的音频性能。CD1值越大,越能提高音频频段的滤波性能;CS1和CS2越小,越能使能减小电磁兼容测试时的高频干扰。

 

即将推出的第二部分:佐贝尔(Zobel)电路,D类放大器的测试与测量,PCB布局和接地问题。

 


 
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