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D类音频功放IC的趋势

文章来源：永阜康科技更新时间：2018/10/25 13:52:00

数字放大器改善了音频质量和系统性能
实际上，对大多数应用者而言，使用这些放大器所带来的好处已经远远超过了它们的不足。
在传统D类放大器中，用控制器将模拟或数字音频信号在被集成到功率后端设备中的功率MOSFET管放大之前，转换成PWM信号。这些放大器效率很高，使用很小的散热器或根本不需要散热器，且降低了对电源输出功率的要求。然而，与传统的A/B类放大器相比，它们本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的问题，解决这些问题就是D类放大器的发展新趋势。和性能优良的A/B类放大器相比，D类放大器的音频性能是很差的，不仅失真大，而且动态范围窄。所以，当前D类放大器的设计者就必须改进其性能。通过集成高性能采样率转换器（SRC）和Δ-Σ处理技术，新一代解决方案使失真（THD+N）得到了更大的改善，而且动态范围也超过了100dB。
目前，D类放大器的一个噪声源是音频采样时钟的抖动。而时钟通常是由SOC（MPEG解码器和DSP等）产生的，即使很小的抖动也能迅速地影响到常规D类放大器的性能，因为音频时钟是与调制器的输出时钟关联的。
解决这个问题的一个方法是采用SRC SRC技术。因为SRC使用本地稳定的时钟源来同步数字音频的时钟，例如石英晶体振荡器，所以调制器的输出抖动实际上与其他音频时钟是独立的、不相关的。SRC的另一个优点是无论输入音频的采样率如何波动，其输出开关比率都是固定的，这一点与基于PLL的调制器不同。当音频输入源改变或输入时钟缺失时，SRC也通过消除可听见的噪声改善了系统的耐用性。
与目前的高端DAC DAC所采用的技术类似，通过集成高阶Δ-Σ处理技术，D类放大器的音频质量也得到了改善。基于Δ-Σ技术的调制器采用可以降低调制误差的内部反馈。通过减小采样误差，调制器可以改善输出失真，从而获得更好的音质。自从D类放大器诞生以来，由于其自身的轨对轨（rail-to-rail）供电开关特性，而引起的大量辐射EMI，就一直困扰着系统设计者，这将使设备无法通过FCC FCC和CISPR CISPR认证。
在D类调制器中，通过将音频信号与高频固定频率信号比较，并将结果在固定频率的载波上调制，数字音频信号被转换成了PWM信号。形成的信号是可变脉宽的固定载波频率（通常在几百kHz），然后由高压功率MOSFET对这些PWM信号进行放大，放大后的PWM信号再通过低通滤波器去掉载频，恢复出原始基带音频信号。
虽然这种拓扑结构很有效，但它也导致一些不希望的后果，如大量的辐射EMI。由于调制器采用固定频率载波，因此将产生基载波的多次谐波辐射。而且，由于PWM信号自身的开关特性，过冲/下冲和振铃将产生固定比率的高频（10～100MHz的范围）辐射EMI。为了压制辐射EMI，最新一代PWM调制器发展的趋势是采用扩展频谱调制技术。
扩展频谱调制技术用于在更大的带宽内扩展开关PWM信号的频谱能量，而不改变原始音频的内容。一个改进传统调制器高辐射EMI的有效方法是改变PWM开关信号的两个边沿，如图1所示。信号以载波频率为中心，但任何一个边沿都不是按周期重复的。这不仅维持了固定载波频率，而且由于边沿不是以固定比率跳变的，载波频率上的辐射能量就得到了极大的降低。为了追求D类放大器更低的成本，设计者在功率放大级采用半桥放大拓扑结构，以达到降低复杂性和减少物料成本的目的。因为半桥结构输出通常是全桥的一半，功率MOSFET和外部滤波器件的数量也就减少一半。这也增加了后端设备单位功率通道数的数量。然而，半桥放大器在输出端也需要一个隔直电容，而且对供电干线上的噪声也是极其敏感的。
在启动时，隔直流电容必须被充电到偏置点（高压供电干线电压的一半）。如果输出信号没有从地电位上升到偏置点，就会在扬声器中产生很大的“噗”声（开机冲击声）。新型的D类放大器采用预充电电容使启动时扬声器保持无声。
使扬声器在隔直电容充电时保持无冲击声的方法之一是使用数字电压提升技术，也就是使PWM占空比从非开关状态缓慢增加到50%。这将不会在扬声器中产生较大的“噗”声，但由于MOSFET开关时产生大量的瞬态电流，扬声器也不是没有声音的。
使扬声器在隔直电容充电时保持无冲击声的另一种方法是模拟电压提升技术。在这种类型的电压提升过程中，一个电流源将电容充电到偏置点。一旦电容两端的电压达到偏置点，电流源就会关闭。由于半桥是单端拓扑结构，就不存在差分全桥拓扑结构中的共模抑制。在一个全桥放大器中，由于放大器的差分输出是从同一个电压源供电的，公共电压源上的噪声将在输出端抵消。在半桥拓扑结构中，放大器供电电源上的任何交流纹波噪声都将直接耦合到输出端。由于半桥拓扑结构对电源供电噪声的敏感，常常需要提供供电抑制反馈（PSR）电路来进行降噪。
模拟D类放大器有许多本身固有的PSR PSR特性，而完全的数字D类放大器则没有。在目前的数字PSR方案中，通常采用一个外部的ADC来监视放大器的供电电源。
反馈和噪声抵消处理是在调制器的数字域中进行的。有些制造商仅将这种反馈方法用于补偿那些降低系统性能的从供电干线上耦合进PWM输出端的交流噪声的影响。另外一些制造商也将其用于补偿由于负载变化而引起的直流供电电压的改变（电压降落），例如，低音单元（超重低音扬声器）所需要的快速浪涌电流，或者供电线路的电压波动。交流和直流器件中PSR反馈所带来的优点已经扩展到了全桥放大器，并改善了目前多通道家庭影院放大器中通道间的隔离，在串扰和线路电压改变到达输出之前有效地抵消了它们。