在多通道和數(shù)字音源時(shí)代，采用D類放大器以簡(jiǎn)化前級(jí)線路、提高功放效率從而降低對(duì)電源及散熱的要求，這已是大勢(shì)所趨。但D類功放雖然也被稱作數(shù)字化功放，但在電路設(shè)計(jì)上絕不像純粹的數(shù)字電路那么簡(jiǎn)單，也不是直接采用一兩塊芯片就可以大功告成的。以數(shù)字手段實(shí)現(xiàn)模擬功能，仍然需要考慮許多模擬方面的因素，但考慮的因素和角度與傳統(tǒng)的線性功放又有很大差異。本文除了介紹D類放大器的基本原理和好處之外，還著重講解了輸出級(jí)設(shè)計(jì)、功放管選擇、電源、電磁兼容，以及電路板布局方面需要注意的一些問(wèn)題，這些實(shí)用知識(shí)有助于設(shè)計(jì)師減少走彎路的麻煩。

　　D類放大的好處

　　憑借諸如極佳的功率效率、較小的熱量以及較輕的供電電源等優(yōu)點(diǎn)，D類放大器正在音頻世界掀起風(fēng)暴，這一點(diǎn)兒也不令人驚奇。的確，隨著技術(shù)的成熟以及其所達(dá)到越來(lái)越好的聲音重現(xiàn)效果，看起來(lái)繼續(xù)使用D類放大器向市場(chǎng)滲透是一個(gè)頗有把握的賭注，以往在這個(gè)市場(chǎng)上只有傳統(tǒng)的線性(A類、B類或AB類)功率放大器能夠提供令人滿意的性能。

　　環(huán)繞聲格式的不斷進(jìn)步加速了這種趨勢(shì)。由于越來(lái)越多的家庭和車內(nèi)娛樂(lè)系統(tǒng)、DVD播放器以及AV接收機(jī)需要驅(qū)動(dòng)六個(gè)或更多的揚(yáng)聲器，線性放大器及其電源的尺

　　寸增大了，并且產(chǎn)生了更多的熱量。例如，Dolby Digital(杜比數(shù)字)格式要求六個(gè)獨(dú)立的輸出級(jí)，而更新推出的Dolby Digital EX要求更多的8聲道。鑒于此，D類放大技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯得比以往更加突出。

　　輸出級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換機(jī)制

　　所有D類系統(tǒng)的共同特點(diǎn)及其超群的功率效率的奧秘就在于輸出級(jí)(通常是MOSFET)的電源器件總是要么全通要么全關(guān)。這與線性放大器形成對(duì)比，線性放大器輸出晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)隨時(shí)間變化。晶體管消耗的功率是其壓降與流過(guò)電流之積(P=IV)，通常占到線性放大器消耗的總功率的50%或更多。在D類系統(tǒng)中不是這樣。由于所有輸出晶體管要么壓降為零(處于“通”狀態(tài))要么流過(guò)的電流為零(處于“關(guān)”狀態(tài))，理論上根本不會(huì)損失能量?；氐浆F(xiàn)實(shí)世界中，安裝在數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的微處理器之上的冷卻風(fēng)扇表明即使是純數(shù)字系統(tǒng)也會(huì)以發(fā)熱的形式浪費(fèi)能量，D類放大器達(dá)到的功率效率在85至90%之間。

　　不過(guò)，如何使一個(gè)天生只能產(chǎn)生方波的開(kāi)關(guān)器件再現(xiàn)音樂(lè)中多種多樣的波形呢?某些類型的高頻“數(shù)字”信號(hào)可以通過(guò)低通濾波產(chǎn)生平滑的“模擬”輸出。最廣泛使用的就是脈寬調(diào)制(PWM：pulse width modulation)技術(shù)，其中矩形波的占空比與音頻信號(hào)的振幅成正比。通過(guò)與一個(gè)高頻鋸齒波比較，可以很容易地將模擬輸入轉(zhuǎn)換為PWM(參見(jiàn)圖1)。

?

　　圖1, 具有模擬輸入的D類系統(tǒng)

　　但是，從CD和DVD光盤到數(shù)字廣播和MP3，大多數(shù)當(dāng)今的媒體格式都是數(shù)字的，在進(jìn)行D類放大之前將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)不可避免地會(huì)增加噪聲并提高系統(tǒng)復(fù)雜性。在數(shù)字域?qū)⑿盘?hào)變換為PWM避免了這個(gè)問(wèn)題，并且還消除了比較器和鋸齒波發(fā)生器，這是兩個(gè)天生會(huì)產(chǎn)生噪聲和干擾的模擬元件(參見(jiàn)圖2)。

?

　　圖2 具有數(shù)字輸入的D類系統(tǒng)

　　利用現(xiàn)有芯片功能

　　利用這種工作原理，Wolfson Microelectronics最近推出了一款PWM控制器。WM8608構(gòu)成了具有多達(dá)6.1個(gè)輸出聲道的數(shù)字輸入D類解決方案的基礎(chǔ)。該方案采用了I2S或類似標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)字輸入，將每個(gè)聲道轉(zhuǎn)換為一個(gè)高頻PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)由四個(gè)功率MOSFET組成的輸出級(jí)。然后由低通重建濾波器平均PWM信號(hào)，顯現(xiàn)由原始數(shù)字信號(hào)代表的模擬電平。然后再將該經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)傳送到揚(yáng)聲器(參見(jiàn)圖3)。

?

　　圖3，以WM8608為特色的系統(tǒng)方框圖

　　為了產(chǎn)生PWM輸出，WM8608首先生成一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，其256個(gè)周期構(gòu)成一個(gè)PWM周期。根據(jù)數(shù)字輸入，PWM輸出在12至244時(shí)鐘周期之間保持為高，在其它地方則保持為低(最初12個(gè)周期總為高，最末12個(gè)周期總為低)。因此在一個(gè)PWM周期之內(nèi)可以產(chǎn)生232 (244-12)個(gè)不同的輸出電平。實(shí)際上，這就是一個(gè)232級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，分辨率為7.86 bits (log2 232)。不過(guò)，這還不是一個(gè)完整的故事：由于典型的PWM頻率為384或352.8kHz，存在8種可以代表各個(gè)音頻采樣的PWM周期。WM8608發(fā)揮了這種過(guò)度采樣(oversampling)的優(yōu)勢(shì)，利用了線性化和噪聲整形技術(shù)，這些技術(shù)最初是為將西格瑪-德?tīng)査﨑AC的有效分辨率提高到高于16 bits而開(kāi)發(fā)的。高于100dB(A-權(quán)重)的信噪比已經(jīng)得到驗(yàn)證。

　　保持內(nèi)部時(shí)鐘“清潔”至關(guān)重要，因?yàn)槿魏味秳?dòng)都會(huì)引起PWM信號(hào)邊緣定時(shí)的隨機(jī)變化，這會(huì)以噪聲的形式出現(xiàn)在模擬輸出中。因此內(nèi)部時(shí)鐘由一個(gè)芯片內(nèi)低噪聲鎖相環(huán)(PLL)通過(guò)系統(tǒng)主時(shí)鐘產(chǎn)生。只要主時(shí)鐘適當(dāng)?shù)厍鍧崳@樣就會(huì)消除掉大多數(shù)抖動(dòng)。理想情況下，主時(shí)鐘也應(yīng)該由WM8608產(chǎn)生。因?yàn)檫@樣可以把振蕩器和PLL之間的連接保留在芯片內(nèi)，就防止了來(lái)自開(kāi)關(guān)輸出級(jí)或其它來(lái)源的干擾破壞時(shí)鐘。此外，不需要外部PLL濾波元件，降低了對(duì)PCB布局的敏感性。為了使噪聲不影響給PLL供電的3.3V模擬電源，在接近電源引腳處插入了一個(gè)去耦濾波器。

　　輸出級(jí)設(shè)計(jì)

　　與模擬放大器非常類似，D類輸出級(jí)可以每聲道與兩個(gè)晶體管單端連接，或者構(gòu)成四晶體管橋接類型。后者通常是首選，因?yàn)樗峁┝藷o(wú)需隔直流電容器的單電源操作(參見(jiàn)圖4)。

?

　　圖4，“H”橋接輸出級(jí)

　　而單端連接的輸出級(jí)要么要求很大的電容器來(lái)消除輸出的直流偏置，要么需要更多昂貴的分立電源。橋接配置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將輸出振幅(Vpk-pk)從Vs(電源電壓)加倍到2VS，使得給定電源電壓能夠提供的理論最大功率Pmax提高到四倍：

　　實(shí)際上，PWM控制器的占空比范圍僅限于5%到95% (12/256及244/256)，將輸出振幅限制在2VS到1.8VS，而由于阻性損耗功率輸出進(jìn)一步降低?？梢杂?jì)算如下：

　　其中RParasitic包括一個(gè)NMOS和一個(gè)PMOS器件的“通”電阻以及電源的內(nèi)電阻、濾波電感器的串聯(lián)電阻和PCB跡線電阻。

　　一個(gè)使輸出功率最大化的簡(jiǎn)單辦法是使用低阻抗揚(yáng)聲器。例如

　　，對(duì)于同樣的供電電壓，一個(gè)4Ω的負(fù)載所汲取的功率是一個(gè)8 Ω揚(yáng)聲器的兩倍。但是，這會(huì)略微降低功率效率，因?yàn)榕c負(fù)載自身相比寄生電阻變的更重要。

　　動(dòng)態(tài)峰值抑制是一種使音頻信號(hào)無(wú)需更強(qiáng)輸出級(jí)就可以發(fā)聲更響的技術(shù)。本質(zhì)上，它在數(shù)字域放大信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)增益來(lái)預(yù)防削波。WM8608利用了一個(gè)具有頻率相關(guān)延遲的特別峰值抑制器來(lái)避免低頻失真。