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D類音頻功放IC的趨勢

文章來源：永阜康科技更新時間：2018/10/25 13:52:00

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數字放大器改善了音頻質量和系統性能
實際上，對大多數應用者而言，使用這些放大器所帶來的好處已經遠遠超過了它們的不足。
在傳統D類放大器中，用控制器將模擬或數字音頻信號在被集成到功率后端設備中的功率MOSFET管放大之前，轉換成PWM信號。這些放大器效率很高，使用很小的散熱器或根本不需要散熱器，且降低了對電源輸出功率的要求。然而，與傳統的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的問題，解決這些問題就是D類放大器的發展新趨勢。和性能優良的A/B類放大器相比，D類放大器的音頻性能是很差的，不僅失真大，而且動態范圍窄。所以，當前D類放大器的設計者就必須改進其性能。通過集成高性能采樣率轉換器（SRC）和Δ-Σ處理技術，新一代解決方案使失真（THD+N）得到了更大的改善，而且動態范圍也超過了100dB。
目前，D類放大器的一個噪聲源是音頻采樣時鐘的抖動。而時鐘通常是由SOC（MPEG解碼器和DSP等）產生的，即使很小的抖動也能迅速地影響到常規D類放大器的性能，因為音頻時鐘是與調制器的輸出時鐘關聯的。
解決這個問題的一個方法是采用SRC SRC技術。因為SRC使用本地穩定的時鐘源來同步數字音頻的時鐘，例如石英晶體振蕩器，所以調制器的輸出抖動實際上與其他音頻時鐘是獨立的、不相關的。SRC的另一個優點是無論輸入音頻的采樣率如何波動，其輸出開關比率都是固定的，這一點與基于PLL的調制器不同。當音頻輸入源改變或輸入時鐘缺失時，SRC也通過消除可聽見的噪聲改善了系統的耐用性。
與目前的高端DAC DAC所采用的技術類似，通過集成高階Δ-Σ處理技術，D類放大器的音頻質量也得到了改善。基于Δ-Σ技術的調制器采用可以降低調制誤差的內部反饋。通過減小采樣誤差，調制器可以改善輸出失真，從而獲得更好的音質。自從D類放大器誕生以來，由于其自身的軌對軌（rail-to-rail）供電開關特性，而引起的大量輻射EMI，就一直困擾著系統設計者，這將使設備無法通過FCC FCC和CISPR CISPR認證。
在D類調制器中，通過將音頻信號與高頻固定頻率信號比較，并將結果在固定頻率的載波上調制，數字音頻信號被轉換成了PWM信號。形成的信號是可變脈寬的固定載波頻率（通常在幾百kHz），然后由高壓功率MOSFET對這些PWM信號進行放大，放大后的PWM信號再通過低通濾波器去掉載頻，恢復出原始基帶音頻信號。
雖然這種拓撲結構很有效，但它也導致一些不希望的后果，如大量的輻射EMI。由于調制器采用固定頻率載波，因此將產生基載波的多次諧波輻射。而且，由于PWM信號自身的開關特性，過沖/下沖和振鈴將產生固定比率的高頻（10～100MHz的范圍）輻射EMI。為了壓制輻射EMI，最新一代PWM調制器發展的趨勢是采用擴展頻譜調制技術。
擴展頻譜調制技術用于在更大的帶寬內擴展開關PWM信號的頻譜能量，而不改變原始音頻的內容。一個改進傳統調制器高輻射EMI的有效方法是改變PWM開關信號的兩個邊沿，如圖1所示。信號以載波頻率為中心，但任何一個邊沿都不是按周期重復的。這不僅維持了固定載波頻率，而且由于邊沿不是以固定比率跳變的，載波頻率上的輻射能量就得到了極大的降低。為了追求D類放大器更低的成本，設計者在功率放大級采用半橋放大拓撲結構，以達到降低復雜性和減少物料成本的目的。因為半橋結構輸出通常是全橋的一半，功率MOSFET和外部濾波器件的數量也就減少一半。這也增加了后端設備單位功率通道數的數量。然而，半橋放大器在輸出端也需要一個隔直電容，而且對供電干線上的噪聲也是極其敏感的。
在啟動時，隔直流電容必須被充電到偏置點（高壓供電干線電壓的一半）。如果輸出信號沒有從地電位上升到偏置點，就會在揚聲器中產生很大的“噗”聲（開機沖擊聲）。新型的D類放大器采用預充電電容使啟動時揚聲器保持無聲。
使揚聲器在隔直電容充電時保持無沖擊聲的方法之一是使用數字電壓提升技術，也就是使PWM占空比從非開關狀態緩慢增加到50%。這將不會在揚聲器中產生較大的“噗”聲，但由于MOSFET開關時產生大量的瞬態電流，揚聲器也不是沒有聲音的。
使揚聲器在隔直電容充電時保持無沖擊聲的另一種方法是模擬電壓提升技術。在這種類型的電壓提升過程中，一個電流源將電容充電到偏置點。一旦電容兩端的電壓達到偏置點，電流源就會關閉。由于半橋是單端拓撲結構，就不存在差分全橋拓撲結構中的共模抑制。在一個全橋放大器中，由于放大器的差分輸出是從同一個電壓源供電的，公共電壓源上的噪聲將在輸出端抵消。在半橋拓撲結構中，放大器供電電源上的任何交流紋波噪聲都將直接耦合到輸出端。由于半橋拓撲結構對電源供電噪聲的敏感，常常需要提供供電抑制反饋（PSR）電路來進行降噪。
模擬D類放大器有許多本身固有的PSR PSR特性，而完全的數字D類放大器則沒有。在目前的數字PSR方案中，通常采用一個外部的ADC來監視放大器的供電電源。
反饋和噪聲抵消處理是在調制器的數字域中進行的。有些制造商僅將這種反饋方法用于補償那些降低系統性能的從供電干線上耦合進PWM輸出端的交流噪聲的影響。另外一些制造商也將其用于補償由于負載變化而引起的直流供電電壓的改變（電壓降落），例如，低音單元（超重低音揚聲器）所需要的快速浪涌電流，或者供電線路的電壓波動。交流和直流器件中PSR反饋所帶來的優點已經擴展到了全橋放大器，并改善了目前多通道家庭影院放大器中通道間的隔離，在串擾和線路電壓改變到達輸出之前有效地抵消了它們。

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