在多通道和數(shù)字音源時(shí)代，采用D類放大器以簡化前級線路、提高功放效率從而降低對電源及散熱的要求，這已是大勢所趨。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題，這些實(shí)用知識有助于設(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)到越來越好的聲音重現(xiàn)效果，看起來繼續(xù)使用D類放大器向市場滲透是一個(gè)頗有把握的賭注，以往在這個(gè)市場上只有傳統(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。由于越來越多的家庭和車內(nèi)娛樂系統(tǒng)、DVD播放器以及AV接收機(jī)需要驅(qū)動六個(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，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)勢顯得比以往更加突出。

　　輸出級數(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(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))要么流過的電流為零(處于“關(guān)”狀態(tài))，理論上根本不會損失能量?；氐浆F(xiàn)實(shí)世界中，安裝在數(shù)以百萬計(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，如何使一個(gè)天生只能產(chǎn)生方波的開關(guān)器件再現(xiàn)音樂中多種多樣的波形呢?某些類型的高頻“數(shù)字”信號可以通過低通濾波產(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的振幅成正比。通過與一個(gè)高頻鋸齒波比較，可以很容易地將模擬輸入轉(zhuǎn)換為PWM(參見圖1)。

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　　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)換為模擬信號不可避免地會增加噪聲并提高系統(tǒng)復(fù)雜性。在數(shù)字域?qū)⑿盘栕儞Q為PWM避免了這個(gè)問題，并且還消除了比較器和鋸齒波發(fā)生器，這是兩個(gè)天生會產(chǎn)生噪聲和干擾的模擬元件(參見圖2)。

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　　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，驅(qū)動由四個(gè)功率MOSFET組成的輸出級。然后由低通重建濾波器平均PWM信號，顯現(xiàn)由原始數(shù)字信號代表的模擬電平。然后再將該經(jīng)過濾波的信號傳送到揚(yáng)聲器(參見圖3)。

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　　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級數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，分辨率為7.86 bits (log2 232)。不過，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)揮了這種過度采樣(oversampling)的優(yōu)勢，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-德爾塔DAC的有效分辨率提高到高于16 bits而開發(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)槿魏味秳佣紩餚WM信號邊緣定時(shí)的隨機(jī)變化，這會以噪聲的形式出現(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@樣就會消除掉大多數(shù)抖動。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)，就防止了來自開關(guān)輸出級或其它來源的干擾破壞時(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。

　　輸出級設(shè)計(jì)

　　與模擬放大器非常類似，D類輸出級可以每聲道與兩個(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需隔直流電容器的單電源操作(參見圖4)。

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　　圖4，“H”橋接輸出級

　　而單端連接的輸出級要么要求很大的電容器來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單辦法是使用低阻抗揚(yáng)聲器。例如

　　，對于同樣的供電電壓，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。

　　動態(tài)峰值抑制是一種使音頻信號無需更強(qiáng)輸出級就可以發(fā)聲更響的技術(shù)。本質(zhì)上，它在數(shù)字域放大信號，動態(tài)調(diào)節(jié)增益來預(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避免低頻失真。

　　選擇合適的晶體管

　　為輸出級選擇適當(dāng)?shù)脑浅ｊP(guān)鍵，因?yàn)槠涮匦詫ο到y(tǒng)性能具有很大的影響。首先，功率MOSFET必須能夠承受其所期望處理的電壓和電流。由于快速開關(guān)的PWM信號會在輸出濾波電感器上引起反向電動勢(EMF)，最大的額定漏-源電壓應(yīng)該至少比供電電壓高25到50%。其次，功率MOSFET的“通”電阻導(dǎo)致發(fā)熱并降低功率效率，因此應(yīng)該盡可能低。常用的具有4或8Ω阻抗的揚(yáng)聲器要求RON遠(yuǎn)低于0.2 Ω，以保證阻性損耗適度地低。

　　開關(guān)延遲是選擇輸出器件的另一個(gè)重要參數(shù)。WM8608產(chǎn)生脈寬范圍為122ns到2.7μs的PWM信號。為了保持信號完整性，輸出級(功率MOSFET加上電平轉(zhuǎn)換器)的開關(guān)延遲與最小PWM脈寬相比應(yīng)該很小。一個(gè)較不明顯的潛在問題是晶體管之間開關(guān)特性的匹配。例如，如果一個(gè)NMOS器件的開啟比其對應(yīng)PMOS的關(guān)閉快的多，兩種器件的“通”時(shí)期就可能在信號邊緣出現(xiàn)短時(shí)間的重疊。在兩種器件都導(dǎo)通的情況下，供電電源本質(zhì)上是短路的，導(dǎo)致功率效率降低，熱耗散增加，并且可能降低供電電壓，這將使音頻信號失真。

　　最后，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該關(guān)注MOSFET門電容。大電容會引起RC延遲，放慢晶體管開關(guān)速度。此外，這也增加了功率耗散，并使驅(qū)動MOSFET的電平轉(zhuǎn)換器發(fā)熱。由于同樣的原因，電平轉(zhuǎn)換器的輸入電容也應(yīng)該很小。

　　某些制造商提供集成輸出級，可以直接連接到WM8608輸出。這些集成電路(IC)通常包含四個(gè)匹配功率MOSFET，并且還控制PWM信號從3.3V(在WM8608輸出)到更高電壓的電平轉(zhuǎn)換，以便能夠正確地開關(guān)功率器件。此外，他們還提供內(nèi)置的短路和過載保護(hù)。

　　電源因素

　　線性與開關(guān)電源的對比

　　在很多方法中，開關(guān)電源相對于傳統(tǒng)線性電源越來越多的被使用反映了D類放大器的發(fā)展。兩者普及性的不斷增長都得益于其高功率效率、小尺寸和更低的冷卻要求。因此，使用開關(guān)電源幫助設(shè)計(jì)人員得到了D類技術(shù)的全部好處。不過，在成本是最重要考慮因素的情況下，D類放大器也可以由常規(guī)線性電源供電。

　　開關(guān)電源的一個(gè)潛在問題是由于快速倒換大電流而引起的電磁干擾(EMI)。當(dāng)電源和放大器中的不同開關(guān)頻率發(fā)生交調(diào)時(shí)，這個(gè)問題就會惡化，產(chǎn)生在輸出中可能聽得到的音調(diào)。作為PWM控制器中的獨(dú)特產(chǎn)品，WM8608提供了同步外部電源和芯片上PWM調(diào)制器的能力，消除了交調(diào)。

　　整流

　　無論使用何種類型的電源，D類放大器都比線性器件對電源供電質(zhì)量敏感得多。因此，盡管D類技術(shù)幾乎肯定能夠降低電源要求達(dá)50%或更多，實(shí)際的電源設(shè)計(jì)往往還是寧愿更復(fù)雜一些。理由很簡單：如果在電源和輸出之間只有開關(guān)(功率MOSFET全通或全關(guān))，供電線上的任何電源或音帶波動都將調(diào)制輸出信號。換句話說，所有數(shù)字D類放大器都具有一個(gè)0dB的電源供電抑制比;它們本質(zhì)上將電源用做電壓參考。

　　因此，好的負(fù)載整流，不僅僅是針對直流而是對于整個(gè)音帶來說是不可或缺的;不良整流的電源會導(dǎo)致諧波失真。許多制造商提供浮動整流器，可以附加到現(xiàn)有的電源上，以便在必要時(shí)改善負(fù)載整流。在每個(gè)放大器輸出使用一個(gè)獨(dú)立的整流器具有降低音頻聲道之間串?dāng)_得額外好處。

　　瞬態(tài)行為

　　供電電源的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是其處理瞬態(tài)的能力。為了使輸出級精確地重現(xiàn)PWM信號，電源必須能夠非?？斓靥岣呋蚪档推潆娏?，并且不產(chǎn)生阻尼或降低輸出電壓。由于輸出級的帶寬限制在音頻范圍，線性放大器在這方面的要求更少。因此，一個(gè)在線性系統(tǒng)中表現(xiàn)良好的電源可能不適合D類技術(shù)。

　　存儲電容器是確定電源瞬態(tài)行為的最關(guān)鍵元件。首先，其必須保持足夠的電荷來防止電流沖擊引起供電電壓下降，直到整流器發(fā)生作用(快速整流器有助于使電容器適當(dāng)?shù)匦?。其次，由于任何寄生電阻或電感都阻止存儲電荷的快速傳遞，必須使用低ESR(有效串聯(lián)電阻)電容器。添加一個(gè)與大的常規(guī)電解電容器并聯(lián)的小的低ESR電容器是不夠的：因?yàn)樗械妮敵龉β识家远痰耐话l(fā)形式提供，所以所有電容都必須是低ESR的。PCB銅跡線上的寄生電阻和電感同樣有害，應(yīng)該通過將存儲電容器盡可能靠近輸出級放置來盡量降低存儲電容。

　　通過安排不同輸出級中的MOSFET在不同時(shí)間開關(guān)，可以緩解對電源瞬態(tài)行為的要求。對于這個(gè)目標(biāo)，WM8608的內(nèi)置“PWM輸出階段”功能在各個(gè)輸出聲道的PWM信號之間引入了160ns的延遲。盡管160ns遠(yuǎn)不足以在輸出中產(chǎn)生聽覺差異，這將開關(guān)瞬態(tài)擴(kuò)展到了整個(gè)PWM周期。在具有六聲道的多聲道系統(tǒng)

　　中，這種技術(shù)大大降低了最大順勢負(fù)載，并減少了串?dāng)_。

　　EMI和布局的考慮

　　EMI(電磁干擾)是D類放大器設(shè)計(jì)中永恒的關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)樗坏貌怀休d高功率PWM信號的導(dǎo)線發(fā)射PWM頻率的電磁輻射及其進(jìn)入射頻波帶的諧波。長的非屏蔽揚(yáng)聲器電纜本質(zhì)上就象天線一樣。因此，重建濾波器在滿足相關(guān)規(guī)章方面起到重要作用。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常面臨兩難境地，即低截止頻率的濾波器可以抑制EMI，但是也損耗音頻頻譜的高端，而高截止頻率會保持平坦的頻率響應(yīng)，卻要付出增加EMI的代價(jià)。高階濾波器可以滿足兩種要求，但是更貴，而且會降低功率效率。WM8608提供了內(nèi)置的數(shù)字揚(yáng)聲器均衡器，可以安排為三重放大。這使得使用低截止的低階重建濾波器，同時(shí)仍然保持頻率響應(yīng)在音頻范圍內(nèi)平坦成為可能。

　　在放大器內(nèi)部，可以通過保持輸出級和濾波器之間的供電線和連接可行地短而降低EMI?？赡艿脑?，這些元件應(yīng)該與供電電源在同一塊PCB上。由于降低了阻性損耗，短而寬的銅跡線也使得放大器的效率更高。在多聲道系統(tǒng)中，很難將大量的功率MOSFET靠近電源放置，為了防止串?dāng)_，一種在每端具有一個(gè)低ESR存儲電容器的“星形”連接是非常理想的。

　　系統(tǒng)中可以方便地放置在離其它電路某段距離的地方的部件是PWM控制器。為了防止來自其它系統(tǒng)元件的干擾在PWM信號中引入抖動，WM8608輸出可以從標(biāo)準(zhǔn)CMOS電壓電平切換到LVDS(低電壓差分信號)模式，每條線都用100 Ω負(fù)載終結(jié)。LVDS還降低了電磁輻射以及由長的信號運(yùn)行引起的RC延遲。

　　測得的性能

　　消費(fèi)者音頻放大器的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是總諧波失真(THD)、信噪比(SNR)和功率效率，D類技術(shù)相對于模擬技術(shù)具有無可爭議的優(yōu)勢。對于噪聲，D類技術(shù)現(xiàn)在在消費(fèi)者市場上與大多數(shù)模擬放大器相當(dāng)。例如，對于CD重放，SNR的瓶頸通常不在于放大器而在于光盤上的16-bit音頻編碼。借助更快的PWM開關(guān)，SNR在未來可能進(jìn)一步改善。關(guān)鍵問題是供電電源和輸出級是否能夠跟上開關(guān)速度。這兩種元件共同決定了THD，理想情況下應(yīng)該作為一個(gè)單元共同設(shè)計(jì)。利用WM8608 PWM控制器和穩(wěn)定而良好整流的電源，在傳送1W音頻功率時(shí)，測量顯示THD為0.01% (-80dB)，在30W時(shí)則下降到0.1% (-60dB)。還得到了高達(dá)90%的效率和超過100dB (A-權(quán)重)的SNR。在同等線性放大器一半的功率消耗之下，D類技術(shù)達(dá)到這樣的性能指標(biāo)，證明其已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)在消費(fèi)者音頻業(yè)務(wù)中無人能夠忽視的地步。