第三代D类放大器
来源：EDN CHINA 电子设计技术 作者： 时间：2005-03-08 21:29
如果你仔细想一下，你会发现音频放大器只是一种和人们想象一样的概念上很简单的器件。传统意义上讲，它能够精确的完成一个功能——乘以一个常数——即使是高精度也是如此。在音频放大器中可允许的谐波失真度，至少需要满足规范书上要求的用途，根据最低水平和最高水平的应用它被粗略的限定在1%到0.0003%之间。在本文中，D类放大器有一个特别之处，就是可以快速地让它们的输出级在不同的电源轨之间进行转化，这已不像1958年第一次提出时使用的那种方法。
你可以选择多种方式对D类放大器的商业化历史进行分段，因为这种分段是没有确切答案的。从我的观点来看，商业市场上出现过三代D类放大器设计，第一代的范例是由托卡塔设计的TacT Millennium。证实了D类放大器的概念，但是讨论出来的最终结果是该技术还不能提供足够性能。这使第一代的放大器把关注的焦点由可能性转移到实用性，目标由设计可以工作的器件变成了设计具有广阔市场需求的器件。
第二代D类放大器通过两个方面的改进解决了广阔市场需求的挑战。第一个方面是使其变得相对紧凑而且价格可以承受，第二个方面是在低功耗性能上的表现应与大多数消费级AB类设计接近甚至更好。原始设备制造商（OEM）节省了电源和封装上的花费，但是必须去理解不熟悉的技术、易受影响的版图和需要很多外围构件的控制器芯片。
第二代D类放大器针对制造商市场目标提供了一系列产品。比如一个来自Tripath公司的典型器件，它把一个用于模拟源信号的相对简单的PWM和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。而其他的制造商，特别是德州仪器、Cirrus Logic和Apogee Technology则特别重视用于PCM源的带片外输出级的放大器。这些放大器需要更复杂的前端功能——否则你可能需要一个立体声前置放大器，注意它不是功率放大器，这些功能包括源选择，音量，平衡和音调控制——由于PCM源常常不是用户可以控制的。这些附加的功能增加额外的复杂性，因为数字信号路径需要为低电位计找到一个简单的数字替代品。
最近一段时间，在OEM和D类芯片设计者之间有了非常大的协作。这个趋势的起源可以从两个方面来讲，OEM设计者可以更好的理解D类的优势，并且为芯片制造者提供市场机会和需求方面的更加深入的观点。同时，芯片设计者也深入地了解到了市场反馈，解决了几个第二代设计中的重要缺陷，其结果是大量的第三代产品更好地集中于特定应用需求而不会像它的前代那样。
为什么选择D类放大器
以液晶面板为特征的显示器和电视机——事实上是所有这种屏幕，因为吹玻璃工人的时代已经过去了——例证了一个趋势。这些系统的大多数都集成有需要放大器的小扬声器，这些放大器消耗6瓦到十几瓦的功率。不仅仅是内部结构，就连扬声器本身都是一个严峻的挑战。另外，LCD的象素颜色是基于温度的函数，尽管调整象素颜色的电流状态提供了一个线性补偿的大致轮廓，但它仍不能调节热点。系统封装的目标需要设计者以LCD面板三个轴大小为基础最小化系统的尺寸。由于没有用于热源的额外空间，重量和花费的设计预算，所以就提出了把这些组合并构成这些应用的简单规则：你一定不能浪费。
D类放大器效率较高的好处是拓展了制冷器的使用，当电源作为显示的一部分或者壁式电源的时候，把它应用于D类放大器相对于同级别的AB类放大器会更小、更便宜。
正因为此，近来市场中出现了基于LCD的娱乐和计算机显示用D类放大器。这些中的一些器件采用了消除了输出滤波器的改良的调制方案。尽管没有输出滤波器，但是一些制造商声称这些器件的EMI发射与那些装配输出滤波器的第二代放大器相当甚至更小。（见附文：《发出或者发现EMI》）。
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适用于平板显示应用的放大器的例子有Maxim公司的MAX9713 单声道芯片和MAX9714无滤波器立体声放大器芯片。它们都可以用TQFN-32封装。这些器件提供三个管脚的可编程调制频率和扩频谱模式，通过把发射能量分散在一个以335kHz为中心±7％的波段上来减少EMI。该放大器已经通过了运行14英寸扬声器的FCC发射标准。
标明6W的放大器，其数量反映了带8Ω负载其总谐波失真是10％。虽然6W的要求作为一种规范首先会让你受到打击，但是引用标签上的10% THD（总谐波失真）的功率是一种通用的工业惯例（可能会让人感到可惜）。将MAX9713的典型失真规范与之相比后会发现，对于同样的8Ω负载在4W时的THD是0.007%，电源供应电压的范围从10V~25V。制造商会提供一个15V标准电压上的性能规范。如果稍微深入阅读规范表格，你就会发现输出时电流限制多于电压限制，这提示你在使用4Ω负载时不要增加电源数目。
MAX9713 和MAX9714同样提供3Db的步长，覆盖了从13dB~22dB的管脚可选择增益。该放大器提供差分对输入，但是你也可以把不用的那个输入端交流耦合到地，然后用一个单端源来驱动该输入差分对。
就像最近出现的大多数放大器一样，MAX9713/14上电的时候不会在它的输出端产生开关切换杂讯（pop&click）。从技术革新的观点上来看，几乎没有理由去选择一款不带有开关切换杂讯的放大器。
德州仪器(TI)公司的TPA3002D2是一个提供两个9W声道和一对用于可选择式耳机的前置放大输出的12V放大器（见图1）。与那些通过逻辑接口控制音量的放大器不同的是，它采用直流电压控制其音量。你的用户接口可以像电压计那么简单，你能够利用DAC来驱动控制节点。放大器的增益范围是-40Db~+36dB。
TPA3002D2在电阻为8Ω、功率为3W时具有96dB的SNR（信噪比）和好于0.25%的THD。图1的评估板已经在EDN编辑办公室里面放了几个月了，在这里它成了房屋系统的一部分，驱动着一组Tannoy Proto-J 型号的显示器，而并不是设计者所想象的负载。为了使条件更差，我们使用的电源比这个任务所需要的更小一点。结果超出我们的预期——削减到比使用正常大小的电源时更低的音量时，噪声基准（noise floor）在离散分布的瞬时音乐处有所升高。起初，我以为这种现象是那些因为没有全程监测而被标记的放大器的不幸产物。然而后来我开始怀疑这些过多的噪声与瞬时大信号之后的软电源输出行为有着直接关系，而且一个合适的电源在更大的音量时会提供更好的逼真以及更少的噪声。
发出或者发现EMI
随着芯片生产商尽力将D类放大器描述成非常高效的AB类放大器的简易替代者，两类放大器之间的基本差异得到了更多的关注。也就是说，这些概念没有流产，而且第三代的芯片超越了第二代的芯片。
其中一个你不能忽略的差异是EMI发射。线性音频放大器不产生EMI，所以许多设计者不会在与电源不相关的部分考虑这个问题。但是，D类放大器的波谱要远比声音的波谱范围要大。调制器的工作频率通常会在几百kHz，边沿上升和下降时间在纳秒级，波谱的干扰在MHz级。
虽然EMI的能量可能是由芯片放大器产生的，但这个问题却一直是系统设计的一个焦点问题。检查由所需部件的数据手册提供的宽带波谱，将D类放大器的EMI发射作为整个EMI管理计划的一部分。
一些放大器允许你选择模块的频率，这样可以将发射的频率移到应用敏感的波谱以外。一些放大器包含扩频模块，将发射的能量分散到一个波段上，这样就能减小波峰。
芯片制造商进行参考设计的目的之一就是要寻找一个版图设计将EMI发射降低到最小。但是，到最后你的应用设计肯定要决定所允许的发射水平，你的设计必须符合这个标准。通用高速版图技术已经被应用，包括使到外部元件的连线尽量短以及考虑接地系统的设计。
没有滤波的D类放大器可能要求有限长度的扬声器反馈，这就迫使你将放大器放在负载的附近。单端放大器的出现使这种设计变得简单并且使D类放大器结构比AB类放大器更小，成本更低，而且效率更高。
可移动领域的应用
几乎没有什么比充电后运行时间这个指标更能打动便携式市场的了。正因为此，新的无滤波器D类放大器在几瓦特的功率级别上正在取代原先固定的AB类器件。TI公司推出了用于移动电话，智能手机和PDA的新型D类放大器TPA2010D1。这种2.5W放大器运行在2.5V~5.5V电源上，空闲时电流范围的最低和最高值分别为3.2mA和4.9mA（见附文：《寻找一个有效的零点》），由逻辑输入来控制关断状态。在关断状态它的静态电流可以下降至小于2mA。
TPA2010D1使用九球WCSP（芯片级封装），每一边都是1.45mm。这个放大器仅要求三个外部构件：一对把你的信号源和放大器差分对耦合在一起的电阻和一个电源旁路电容。这个差分对可以抑止来自调整RF时候引起的干扰——这样的干扰在TDMA和GSM手机中非常普遍。
就像其他制造商做的那样，TI设置了基于负载阻抗为4Ω、THD为10％的电源标牌，并指定了负载为8Ω时的输出功率以及这种情况下需要1％的THD。如果你减少输出功率，那么2010就能达到0.2%甚至更好的THD，在5V，3.6V和2.5V不同电源供电情况下，8Ω负载消耗的功率分别是1W，0.5W和200mW。
与MAX971X相比较，TPA2010D1的供电电压要比它的输出电流更加限制把功率传递到负载的能力。在D类和AB类放大器的安全工作区域里面，它们都需要这种性能，根据这个性能可以确定两个指标：扬声器阻抗和工作电压。暂时先忽略它的输出阻抗，这个放大器在给定电压的情况下传递的最大功率反比于扬声器阻抗。不管怎么说，你调和这种矛盾的能力都是有限的。TPA2010D1指定工作负载是4Ω或者8Ω。把负载阻抗降低到4Ω以下将提高放大器输出器件上的消耗。输出FET的开通电阻值随电源电压而变化，它的典型值变化范围是400 mΩ~700 mΩ。不断地改变放大器的效率的最终结果是放大器的效率将被其内部消耗的能量值所限制。
同样，如果你的应用需要TPA2010D1的小封装而不是全额定输出功率，你可以切换到更低的电源电压从而在更低的功率上来改善其工作效率。
无滤波器D类放大器在输出端降低了功率，因而在该功率级别上D类放大器要优于AB类放大器：美国国家半导体(NS)的1.3W芯片放大器LM4667就
