D类音频功放IC的常见问题解答（关于放大器选择、滤波器的概述、佐贝尔电路、测试、PCB布局与接地）

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 * R_L) / f_C

C= 0.113 / (R_L * f_C)

 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 * R_L) / f_C

C= 0.113 / (R_L * f_C)

 其中R_L为扬声器的阻抗，f_C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。

 

L1 = L2 = (0.113 * R_L) / f_C

C_TOT = 0.225 / (R_L * f_C)

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 * R_L) / f_C

C_TOT = 0.225 / (R_L * f_C)

 C_TOT = C_S1 + C_S2 + (2 * C_D1)

其中L1和L2是两个所需的电感，C_TOT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

 C_TOT = C_S1 + C_S2 + (2 * C_D1)

 其中C_S1和C_S2分别是接地的并联电容，C_D1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C_D1=0.47μF，C_S1=0.047μF，C_S2=0.047μF来得到所需的C_TOT，如图2所示。

 

 

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。C_D1值越大，越能提高音频频段的滤波性能；C_S1和C_S2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。

 在问与答的第二部分内容里，主要考虑佐贝尔电路、D 类放大器的测试与测量，以及PCB布局和接地相关问题。佐贝尔电路是什么？佐贝尔是阻抗匹配电路，常用于扩音器中。佐贝尔电路又称为Boucherot 单元，或者有时被不恰当的称为RC 串联电路（RC snubber）标准的扩音器的阻抗不是固定的，在音频段的高端会明显变大。为了使D 类放大器按照设计那样工作，这种增加的阻抗需要在设计中予以考虑。一种最简单的补偿方法就是使用佐贝尔电路，即一个简单的电阻和电容串联连接到扩音器的终端。尽管佐贝尔电路元件的选择依赖于很多因素，下面的公式给予很好的解决：

RZ = RL

CZ = 1 / (2 * π * fC * RL)

其中RZ 是佐贝尔电路的电阻阻值，而CZ 表示为佐贝尔电路的电容，RL 是扩音器的阻抗，fC 是所需的截止频率。对于一个27.4kHz 的全桥设计例子，CZ 通常取值为0.73 μF。对于大多数应用，电容值可以取0.47 μF 或1 μF，因为这并不是非常敏感的参数。图3为佐贝尔电路的示意图。

 

 

是否可以使用磁珠来代替LC 滤波器？

在很多应用中，D 类放大器可与磁珠一道用于连接分流或差分负载电容的滤波。一个潜在的问题是，在开关频率时，磁珠几乎出现短路，他们的阻抗在1MHz 以上便会增大，在100MHz 附近便会出现峰值。因为在D 类放大器的开关频率下，阻抗都是很低的，磁珠在输出过渡期会增加其峰值电流，从而不仅没有改善电磁干扰反而是加剧这种干扰程度。用于D 类放大器的磁珠过滤器是根据经验以及辐射测量推导出来的。一般而言，对于额定输入到负载阻抗的音频信号的峰值，100_ 或者更高的磁珠是较好的选择起点。例如，如果D 类放大器工作电压为5V，负载为4_，那么需要选择峰值电流至少为1.25-A 的磁珠。磁珠通常通过一对并联的电容接地。同样，这两个电容的电容值也需要根据经验来确定，不过100pF 会是一个很好的选择点。与D类放大器一道工作的磁珠过滤器示意图如图4 所示。

 

 

 

在D 类放大器中是否需要双电感？

双电感有一对密切耦合的同样圆心的线圈。双绕组电容只用于D 类放大器，而且不需要特别的输出调制。换句话说，只有传统的“教科书”D 类调制可以接受，即两个全桥输出当没有音频信号时将偏离相位180 度。任何“无过滤性”的D 类放大器都无需配合使用双重绕组电感。

这里有一些专门用于D 类放大器的双电感，其厂商包括：

· Sagami

· Korea Coil Engineering

· FDK

· Toko

这些特定的双绕组应用，其特点是两个线圈的较低的互耦合。

是否需要为D 类放大器使用共模阻塞一些D 类放大器调制方案允许使用共模阻塞。共模阻塞意味着一条连接差分信号的低阻抗通道和一条通往其他任何共模信号的高阻抗通道。用在连接小的容性负载时，共模阻塞比电感有着更高的性价比，但比普通式磁珠要贵一些。共模阻塞用在D 类放大器的正常运作是可以观察到的。主要的验证参数是电磁干扰，还可以检查静态电流和THD+N 作为输出功率的函数。D 类放大器与共模阻塞不兼容的现象会导致静态电流和/或THD+N 的性能退化。

是否需要在D 类过滤器中使用差分电容或单端连接很多已有的D 类放大器使用了单个差分电容，而其他的仅仅使用了一对并联电容。大多数情况下，单端差分电容将提供更好的音频性能，而并联电容会提供更好的抗电磁干扰性能。最好的解决方案是同时使用差分和并联电容，其中差分电容的值比并联的更大些。

一般而言，低容值的电容可以在更高的频率下表现得更好。

测试与测量问题

为什么在示波器中看不到正弦波形？

关于D 类放大器的一个共同的客户问题是示波器的观察。工程师习惯于在输出端看到一个正弦波，同样他们也认为放大器也是正弦振荡的。实际上，放大器确实是被设计为振荡的。外加串联的1-kΩ 电阻与并联的4700-pF 电容接地，通常会充分抑制开关频率，从而可以在示波器上看到音频信号。如需要更为精确的测量，需要使用有源滤波器或更高阶的LC 梯形过滤电路。

如何测量D 类放大器?

D 类放大器的较高的开关频率PWM 输出会超载大多数的音频分析仪输入。专门的过滤器，如音频精密辅助AUX-0025提供了一个这样的过滤器来限制频谱外的能量。除此之外，平衡后的5 阶过滤器将与低失真运算放大器如LME49740 一起确保准确的读数。图5 为实例电路。

 

 

该电路是五阶巴特沃斯过滤器，并带有差分前端和一个单端输出。该电路有着归一化后的增益，并可工作在最高供电电压为34V 的环境中。截止频率为24kHz，电路在300kHz处有一个理想的108dB 的抑制，尽管实际上很难能做到这一点。

是否可以使用8Ω 或4Ω 电阻作为测试负载?

D 类放大器应该与一个负载一道进行测试，该负载代表了实际的扩音器，并不单单是一个电阻。如果用的是电阻，测试的效率要远远差与实际的性能。在大多数情况下，8Ω的电阻需要再串联68-μH 的电感，4Ω 的电阻需要串联33μH 的电感。PCB 布局和元件的问题在D 类放大器中，PCB 布局是否重要？

PCB 布局在D 类放大器中是非常重要的，其布局影响到获取最佳信噪比、最佳热效率以及最低的电磁干扰。任何一个该领域的新设计师都需要检查一下已有的设计来领会最佳实践方案，同时还需要学习一些研究文献。

如何对D 类放大器接地？

正确的对D 类放大器接地方法仍处在争论中。一些工程师使用星式接地法，即将零散的接地汇聚成一个星型的接地点，通常D 类放大器的模拟地或电源地采用这种方法。尽管这种方法很容易在带有单个芯片的演示板实现，但对于系统中有很多混合信号芯片时则不适用。这些芯片无法成为星式接地，因此需要考虑另一种方法。

基于实验中与星式接地布局的对比，单一接地板面显示出明显的改善，包括电磁干扰性能、峰值输出功率和更低的THD+N。在这一例子中，单一接地板面在两层PCB 板的顶层和底层都注铜。每个芯片的接地管脚和每个旁路电容的接地端可以使用该接地板面上任何一个连接孔。此外，在PCB 开放区域，连接孔还直接连接着顶层和底层接地板面。通常情况下，连接孔的大小最好为2cm，如果空间允许可以更大一些。与这种单一接地方法相比，部件安置也很重要。高频率的电流会选择阻抗更小的通道，即尽可能的直线连接。因此，PCB 设计者将试图布局这些部件，从而保证电流确实可以按照这种设计的通道流通，而不需经过其他通道，尤其是对敏感的模拟输入来说。能做到这一点实际上可以称之为一种艺术。此外，对于那些通过电磁干扰认证的系统的研究，也不失为学习良好布局技术的方法。

对D 类放大器正确的接地是否重要？

接地对于D 类放大器是非常重要的，尤其是涉及到获取最佳信噪比、最佳热效率以及最低的电磁干扰。任何一个该领域的新设计师都需要检查一下已有的设计来领会最佳实践方案，同时还需要学习一些研究文献。

使用两个单声道D 类放大器还是一个立体声设备？

如前所述，D 类放大器的致命弱点是它们的电磁干扰。一种可能的解决办法是考虑使用两个单声道放大器来而不是一个立体声设备。这将有助于使每个D 类放大器对应各自的扩音器最小化，并减小辐射区域。这种方法为笔记本带来的好处比手机更加明显。如果在系统中使用多个D 类放大器，设备需要通过一个共模时钟同步信号来驱动，从而确保没有任何谐振频率。

哪种电容最适合用作D 类放大器的供电旁路？

陶瓷芯片电容是D 类放大器供电旁路的最佳选择。他们的低ESP 和出色的高频特性将增强音频性能并有助于降低电磁干扰。如果D 类放大器布局在远离供电处，需要添加一些额外的散装电容。添加的电容最好是低ESR 的铝电解电容，但一般都使用通用性铝电解电容。一些工程师们将会用到多个旁路电容来减小电磁干扰。放置在电源管脚最近的是不超过0.1-μF 的小型旁路电容。更大一点的，如1μF 的电容放在紧挨着的位置。一般的做法都是使两类电容的容值量级相差10 倍，以避免形成共振频段。

 

做什么有助于确保符合电磁干扰认证？

为了满足符合辐射要求的测试限制，需要设计师选用高质量、低EMI 的D 类放大器，并通过合适的接地和旁路。此外，根据扩音器线的长度以及最终应用的指定频段，还需要一些输出滤波。

如何能将单端音频源连接到差分D 类放大器的输入?

很多D 类放大器都有差分输入来减少不需要的噪声。如果使用的是单端音频源，最好使用差分方法。将音频源的输出和其输出参考电压分别引到D 类放大器的差分输入对上。

图6 为该例子的电路示意图。

 

 

如何能将差分的音频源连接到单端的D 类放大器输入？

如果要将差分源连接到单端输入的D 类放大器，最简单的方法是仅使用一个输出。

或者，在D 类放大器前端增加一个差分运算放大器。

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