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2010-12-29 00:29:12
数十年的不断开发和大量生产造就了能够满足许多行业市场的成熟放大器技术。A类放大器设计用于更苛刻的高端应用，B类和AB类放大器则通过在成本、容量和性能之间进行折衷而服务于消费者市场。
但是，D类放大器技术已经使这种平衡发生了变化。以前音频放大器的功率效率一度限制在大约30%~50%的范围内，采用D类放大器技术后，其功效就几乎翻了一番，达到85%，甚至90%的水平。对于给定的输出功率，这就可以使电源、散热器件和外壳缩小很多，或者在给定预算下就可以购买更大功率的放大器。
这样一个巨大的改进缘于D类放大器输出级采用开关控制，而不是象传统放大器那样采用模拟信号控制。从理论上而言，在“off”状态，通过每个晶体管的电流为0，或者在“on”状态下其两端的电压为0，因此功耗(即电流和电压的乘积P = IV)就接近于0。实际上，在“on”状态下晶体管的“on”电阻会产生一个很小的电压降。D类放大器产生功耗的其它原因还包括功率晶体管相对较大的门电容和输出级前面的系统元器件。
实际上，D类放大器采用开关器件由附加电路产生模拟波形。在输出级前一个调制器就将数字或模拟信号转换为脉宽调制信号(PWM)，一个低通重构滤波器将放大的PWM信号转换为驱动扬声器的模拟信号。
在较小的放大器中，调制器和输出级有时候就集成进单个硅片上。但是这样芯片的输出功率会因为DSP器件和大功率开关器件制造工艺之间固有的不兼容性而受到限制。
如今已经涌现许多电路拓扑，包括全集成器件及调制器与输出级分离的多芯片方案。后者具有便于扩展的优点。仅需要改变输出级和电源(见图1)，同样的设计就可重用于不同输出功率的放大器。
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图1：该D类放大器拓扑具有集成的调制器和分离的输出级，只需改变电源和输出级来满足不同的功率输出。 |
以这样的方式划分系统，输出级就可以采用适合于开关器件的鲁棒性强的高电压技术来实现，而采用一般CMOS工艺来生产。诸如均衡、动态压缩或数字音量控制这样的功能就可以更容易地与调制器集成在一起。
电源问题及解决之道
D类放大器技术也引入了某些新问题。D类放大器对于电源质量更加敏感这个问题经常被忽略，与带宽限制在音频范围的线性放大器不同，D类放大器输出级的开关频率达到数百千赫。
要精确地产生这样高频率的方波，电源必须能够非常迅速地增大或减小电流而且不引起振铃或输出电压降。这要求电容器能够保持足够的电荷以免浪涌电流造成电源电压下降。因为任何寄生电阻或电感都会阻止所储存电荷的快速释放，因而这些电容器的有效串联电阻(ESR)应该很低。
仅增加一个与传统电解电容并联的低ESR小电容到是不够的。因为全部输出功率要在极短的脉冲中释放，所有电容都必须是低有效串联电阻的。电路板铜走线的寄生电阻和电感也是同样有害的，应该通过将电容器尽可能放置在接近输出级的方法来减少这种寄生电阻和电感。
将晶体管布置在不同的输出级以使开关按顺序动作而非同时进行，也可以降低对电源晶体管行为的要求。为达到此目标，先进的PWM调制器具有一个内嵌的PWM移相功能，它在每个输出通道的PWM信号间产生一个固定的延迟。
此时延仅占一个PWM周期的一小部分，短到无法对输出带来听觉上的差别，但却能将开关晶体管动作在PWM周期上伸展(图2)。该技术消除了因通道数量增加而产生的瞬间负载电流变化。
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图2：2.1PWM通道的电源电流叠加在总电流上产生非常陡峭的上升沿(a)，经PWM相移的电源电流叠加后，上升沿可得到伸展(b)。 |
由于有效地采用电源作为电压参考，许多D类放大器几乎没有电源抑制(PSR)。为避免来自主电源或信号调制而产生的音频纹波，电源必须要调理。这种情况下，开关电源是最好的选择。
由于具有经常工作在相当高频率范围的内置快速负载调节功能，这些电源不需要线性调压器，因而有助于缩小存储电容器的容量和体积。实质上电容器仅仅需要在调压器开始工作前能够储存足够的电荷，保持负载状态下的电源电压稳定。另外，开关电源比线性电源效率更高，进一步减少了冷却要求。
减少D类放大器的EMI
D类放大器另一个常见的问题是输出级电流快速切换而引起的EMI。减少EMI的最简单方法是使至输出级的电路板走线或电线尽可能地短。如果完全可行，电源和输出级应该布置在同一快电路板上。
扬声器电线也向D类放大器提出了更多挑战。在带有内置扬声器的系统中，较短的扬声器线缆是防止EMI的有效手段，而且也不会增加材料成本。但在使用外部扬声器的任何场合，扬声器的线缆长度不受设计人员的控制，EMI滤波是绝对必要的。由于EMI频谱相对而言接近音频范围，实现对EMI的充分抑制而不影响声音质量可能很困难。EMI主要由PWM开关频率及其谐波组成。
因此，设计师面临一个困难的选择。他们应该选择选择一个抑制EMI但也会削弱高音的低通滤波器呢，还是应该选择一个以增加EMI的代价来保持平坦音频响应的高通滤波器(图3)高阶滤波器可以将不同的频段隔离开，但往往受到高品质电感器成本较高的限制。
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图3：选择低的截止频率会导致不希望出现的高音频率衰减[1]。但更高的截止频率会导致EMI衰减不够[2]。高阶滤波器表现更好却太昂贵。 |
在PWM调制器芯片增加一个扬声器数字均衡器为解决这个难题提供了一条出路。但节目中出现高音时，这个均衡器就会抵消基本低阶低通滤波器对音频信号的影响，在音频范围内保持一个平坦的频率响应。对于具有不同阻抗的扬声器，可以使用不同的均衡器设置来匹配现有的滤波器设计，最大限度地复用设计。
其它技术
许多其它技术也有助于在给定的预算下提供一个出众的听觉体验。使用一个低音扬声器或超重低音扬声器，其它扬声器就不需要重现整个频段，这样就它们可以更小、更便宜。
由于音频频谱的低端几乎不带有任何方向信息，因此不会削弱立体声效果。另外，一个特制超重低音扬声器将更容易获得多数消费者喜爱的扩展低音响应。这些因素已经推动消费市场从简单立体声向“2.1声道”(即立体声加超重低音扬声器)转移。
动态波峰压缩技术可以使音频信号听上去更响而不需要求助于更大功率的输出级。这一技术依赖于在大部分时间音频信号的瞬时幅值远远低于其高峰幅值这样一个事实，采用在数字音频频域将音频数据乘以放大系数的方法来放大音频信号。
在信号高峰期间，当此乘积接近于信号处理器所能处理的最大或最小值时，就采用临时减小增益的方法来避免失真。在峰值衰减后，增益便恢复到原有水平。为避免在信号中产生阶跃变化，所有增益必须在过零期间改变其大小。另外，增益还必须以定义明确的起始时间(attack time)和衰退时间渐进而不是瞬时地变化。
不幸的是这陷入一个两难境地。一方面由于要从放大器榨取更多的功率而希望衰减时间短，而另一方面必须保持信号周期一般长。为最糟的情况下即最低频低音所做的设计将导致一个过长的衰减时间，而限制峰值压缩技术的有效性。而设置一个过短的衰减时间将会引起低音失真。
最近上市的PWM调制器通过使峰值压缩衰减时间与频率相关而解决了这个问题。这样增益可以在高频段快速上升，而在低音信号情况下可以上升得缓慢一些。
为解决D类放大器设计中存在的一般设计问题，器件厂商不断地提供了很多精巧的方案，现在系统设计师就可以充分利用这项技术的优点，减少其固有的缺点。通过将D类放大器的功率效率特性与可增强音频体验质量的数字信号处理技术结合起来，如今设计师能够将音频放大器的性价比充分地提升到传统线性技术所无法达到的水平。
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