原创 第三代D类放大器

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》）。

　　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就是一个例子。NS有着长期出产AB类放大器的成功历史，几年前，该公司将其关注的方向扩展到了D类放大器。从芯片制造者的角度来讲，转移到D类放大器既不意味着AB类产品线的终结，也不表明要把它拆分成几个大的部分，而是说明该公司更愿意把自己的应用焦点集中到每一个新的器件。其他的芯片制造者在成长的市场中表明了自己公司的态度，它体现在制造商给市场带来的放大器的特征、功耗、封装选择等方面。
　　我们以LM4667为例，NS对移动电话和PDA的关注促成了九焊锡凸块micro-SMD封装，它的边长是1.5 mm，高是0.6 mm（包括焊锡凸块）。将两个这样的焊锡凸块连到逻辑信号上，通过逻辑信号来选择放大器的增益—6dB或者12dB—而且能够激活放大器的关断状态。唤醒时间的典型值是5ms，而且转换是无杂讯的。放大器使用delta-sigma调制器，根据NS的说法，它能够比传统的PWM（脉宽调制）更好地抑止噪声和失真。在3V电压供电下能够驱动100mW的有效值，它的THD+N是0.35%。

 

　　在高功耗方面的应用
　　放大器在高功耗方面也有应用，例如家庭音响，家庭影院以及其它超过个人音响的应用。尽管一些结构可能出现第二代设计的影子，但是这些新的芯片能提供更强的特性和改良的性能。

 

 

　　高于几十个瓦特的D类放大器同样需要一个控制芯片和一个分离的功率级。控制器的数字内容是这些应用的本质特征。很多制造商已经议定，可以把系统分割成两个部分，一个是利用CMOS工艺制造的包括逻辑功能的芯片，一个是利用低密度，高电压工艺制造的功率器件芯片。
　　Wolfson Microelectronics公司的WM8606证明了这一趋势，它是一块将很多特性封装到7mm×7mm TQFP-48里面的芯片。WM8606接受4个立体声系统的PCM输入，它可能被译成标准的立体声或者5.1、6.1或7.1环绕立体声。该D类控制器提供7个PWM输出——6个全带宽和一个用于子低音扩音器的低带宽。这块芯片能够把5.1、6.1、7.1环绕立体声源映射到5.1或者6.1环绕扬声器之上。
　　你可以把输出配置成CMOS或者 LVDS类型。这种灵活性有助于在较少的严格约束下在你的PC主板版图上控制你的EMI。WM8606与TI和意法半导体（ST）提供的功率级是兼容的。同样，你可以选择一个驱动器或者FET（Zetex, Vishay或Fairchild可以提供）。该控制器可以和一个在30W时提供96dB的SNR 和0.1%的THD的完整功率级组合在一起。
　　控制器针对不同型号的扬声器提供了一个四波段均衡器和可选择的高频补偿。每个声道独立的音量控制以0.5dB的步长覆盖了从-103.5dB~+24dB的范围。同时WM8606也为每个声道提供了动态峰值抑制，用以预防在增益和均衡的组合大于0dB时的数字削波。

我们可以通过一个简单的串行接口来控制削波的内部特征。控制器可以提供16位、20位、24位、32位字节和所有从32Ksps~192Ksps的标准传输率。Zetex是通过ZXCW8100S28立体声控制器进入D类放大器市场的。这块芯片具有一个完整的双声道放大器，并具有驱动和功率FET（也可以在Zetex获得）。这是我在一个ZXCW502CEVAL评估板调查这个项目是听到过的三个D类放大器之一。在ZXCW502CEVAL评估板上的ZXCW8100S28是一个非常“清洁”的放大器，它在电阻为4 Ω、功率为1W时具有118dB的SNR和0.021%的THD；在电阻为8Ω、功率为10W时THD+N曲线保持在0.1%以下，在20W时也只是提高到1.2%。
　　ZXCW8100S28可以接收16位、24位和32位数据，速率从32 Ksps~192Ksps。这块芯片的32位信号处理器提供音量、低音和高音控制、削波控制和开关器件补偿。该芯片还具有一个独家拥有的滤波算法——ZTA，制造商宣称可以改善瞬态分辨率和立体声效果。
　　TI和NS都提供控制器/功率放大级的组合方案，而且针对不同的应用有不同的处理能力和价格。TI的TAS5508可以接收32Ksps~192Ksps标准字传输率的8声道PCM。TI的TAS5508采用TQFP-64封装，连接于一个具有32位数据通道、48位音频处理、76位累加器的DSP。
　　增益控制以0.25dB为步长，能覆盖-100Db~+36dB。双级高音和低音控制及六波段参数均衡器提供了灵活的用户界面控制和扬声器/环境补偿。抑制、响度、补偿、低音管理、采样速率转化都在这块控制器特性列表上。
　　你可以通过选择TI的能量转换级列表找到基于TAS5508的产品，里面包含了100W rms 的TAS5121。显而易见，制造商大方地公布D类放大器的额定功率，这个数字虽然是可以达到的，但同时可能是不能令人满意的——在理解制造商的数据手册时要记住这个事实。例如TAS5508在100W rms时驱动4Ω负载的THD为10%。在相同的负载下，在80W rms时能量转换级具有0.2%的THD，而在1W rms时是0.05%。另外，大多数音乐和语音的振幅因数表明全功率运行只能是偶然的现象，而且如果希望这样，还应该考虑扬声器性能。
　　NS的LM4651控制器和LM4652能量转换级为有源子低音扩音器、自动升压放大器和自供电全程扬声器提供了一个单声道、模拟输入的放大器芯片组。虽然通孔封装现在很少见——LM4651采用MDIP-28封装、LM4652采用TO-220-15，但这个芯片组为应用产品提供了廉价的170W放大器。通常，标签上的额定功率是在10% THD点给出的——驱动4Ω电阻，而在1% THD点时则为125W，此时的A-权重SNR为92dB。

　　寻找一个有效的零点
　　因为许多复杂的性能都是由一个简单的值来确定的，所以放大器额定功率就具有一定的重要性。他们没有讲述人们最感兴趣或最相关的部分，但至少讲述了最容易计算和最希望表达的部分。
　　因而，从每次充电后工作时间的角度来看，放大器的额定功率不一定符合终端用户的经验。如果你用不同的调制方案（通常都是在超越额定值的情况下）对放大器进行比较的话，这一点通常都是正确的。
　　问题在于产生一个有效的零点。简单的D类设计使用一个简单的脉宽调制器和一个输出桥（见图3a）。在零信号输入时，没有能量通过扬声器释放出来。而滤波器里的非零电流增加了I2R损失。

 

 

　　阻尼三重调制技术（Apogee Technology公司的一种方案，STMicroelectronics公司的采用DDX技术的放大器也使用此方案）通过间断地让输出器件工作来减少零信号附近的振荡（见图3b）。这个很小的由阻尼三重调制模块确定的最小占空比可以让系统通过去除不理想的切换来减少信号交叉附近的残余失真。根据Apogee公司，这种调制方法和直接的二进制方法相比将载波能量减少了16dB。
　　阻尼三重调制在便携式应用中的一个缺点是它要求一个双极电源。
　　TI有一个比较新用于无滤波输出的方法，它在零信号时在同通常模式下处理放大器的输出信号。（见图3c）。理论上，这种方法在零信号出没有振荡。当信号电压远离零点时，两个输出的脉宽开始变化，导致扬声器终端的信号不一致。
　　当评估放大器的好坏时，就要检测他们的全功率和空闲电流。确保你所评估的放大器是在相同的电源、相同的信号和相同的负载条件下提供了这些规格参数。例如，你不可以将一个放大器在无负载情况下的空闲电流和另一个放大器接入负载时的空闲电流进行比较。

 

　　常见问题
　　如果你是一个EDN的忠实读者，或者你参加工业研讨会，你可能已经发现智能分割器的话题经常出现。大多数情况下这个问题的出现是在IC设计者要调和在采用已有加工和封装工艺的功能模块时出现的完全不同的要求——都是高概念材料。
　　但事实是IC设计者所做的分离决策会影响到OEM设计者所承担的设计任务。问题是一个IC设计者的关于智能分割器的观点——虽然它可能是已经深思熟虑的并且是无懈可击的——仍可能和OEM设计者的从一个系统角度对智能化分割的观点相互冲突。
　　值得称赞的是，IC制造商花了大量的精力和资源来开发参考设计，建立并储备评估板，培训并安排应用支持工程师，并将常见问题的答案公布在他们的网站上。从销售D类放大器芯片的IC制造商那里所能得到的客户支持的水平是极高的。经验表明，不管我们所用的是一个单片型器件，或是一个控制器/能量转换级芯片组，还是一个控制器/驱动/功率FET，这种水平的支持都是需要的。事实上，应用工程师在为D类放大器做技术支持时碰到的最多的问题是：
　　● 我应该怎样在电路板上布线？
　　● 我应该在哪里放置外部无源元件？
　　● 外部元件的最佳值是什么？
　　仔细阅读制造商的数据手册和操作说明书应该可以在大多数的应用场合回答这些问题，但是，因为放大器必须要和周围的器件相互配合，你可用的板上空间看上去可能和参考设计不同。你可能也要关心放大器和周围电路的相互作用，或者是由寄生耦合产生，或者是通过电源产生——对于你的版图设计特有的担心以及对于参考设计不正常运行的担心。

箱子外面的箱子
　　在一个对10Gb以太网或者40Gb光纤通信已经不再陌生的工业里，一个可以在20Hz~20kHz的窄带里、在适当的保真条件下复制信号的简单的增益模块所消耗的时间和能量是值得关注的。高端和专业箱级音频元件的制造商认识到增益模块只是一种方法而不是一个结束。从某种程度上讲，卖点已不再是性能而是其他一些特性，这些特性结合在一起定义了产品的功能并形成了终端用户的经验。随着专用音频元件的声速品质的提高，它的特性、适应性以及用户界面设计变成了更加可确定的比较点。可能有点荒谬，如果放大器已经足够好了，那么它也可以反过来使系统设计者受益，而OEM设计者可以集中力量于特性、适应性和用户界面的改进，以此来和同一市场里的高端产品区别开来。
　　D2Audio公司提供了一系列新型放大器，以使OEM设计者可以放掉一部分工作来专注于关键途径上的任务并缩短产品上市的总时间。

　　虽然都是基于相同的架构，但D2Audio公司的各种模型为特定的应用提供了特定的性能、属性和声道数。例如XR125是为A/V接收器和家庭影院设计的；XM100是为分布式音频多媒体房间设计的；XC100是为分布式商业音频放大设计的；XS250是为有源监视器设计的。放大器版图设计、部件选择、门驱动的完整性以及滤波设计是模块内部涉及到的全部内容。你只需要把音频输入、扬声器输出、一个电源和一个简单的控制界面连接起来，就可以将你的精力全部集中于客户的需求，而不是放大器的需求。D2Audio公司将输出级在插入式子卡上实现，子卡可以提供即时输出功率的检测。因为子卡是嵌入在D2Audio控制器的反馈环内部的，所以控制器和接口软件不需要为适应不同的输出级而改变。
　　输入结构适用于你能找到的所有D类放大器上。你可以用采用均衡AES/EBU格式、非均衡SPDIF格式或者16~24位的32ksps~192ksps的采样率的原始I2C接口来连接数字音频。可选的接口包括了一个支持legacy信号源的模拟端口。
　　不管你选择哪种信号源，输入信号会经过一个采样率转换器和一个自适应PCM/PWM转换器、一个电平转换器、一个门驱动电路、输出功率MOSFET器件和一个滤波器。放大器的信号处理核心是一个独家拥有的ASIC（专用集成电路芯片），它集成了一个低电平信号链，并添加了一个DSP，独家拥有的信号驱动补偿，和一个给DSP提供反馈信号的优化模块。反馈通路将放大器的SNR改善了23dB，并将THD+N在1kH时减少了15 dB~19dB。DSP有足够的额外处理能力来运行为产品差异而设计的OEM算法。
　　例如XR125这块芯片，提供了7个通道，分别可以在125W下驱动8Ω负载。在功率为1W时失真率为0.05%。放大器的SNR要优于105dB，从20Hz~20kHz范围内的幅频响应的变化保持在0.5dB之内。
　　XR125提供了可编程的语调控制，音量控制和一个5波段参数均衡器。语调输出有几个特点：采用动态范围压缩技术以防止削波，可调延迟时间以补偿由扬声器的位置造成的声音延迟，还有一个3波段参数均衡器用于补偿扬声器的不足和特殊房间产生的声学影响。
　　你可以通过一个标准二线式串行接口和软件控制的应用程序接口来控制放大器。D2Audio也提供了D2Audio Canvas GUI（图形用户界面）来加快产品开发和用户定制。
　　我试听了D2Audio的首席设计师设计的一个产品原型，并和Perreaux公司的一个A类放大器进行对比，该A类放大器的价格将近是前者的20倍。不过，D2Audio的产品并没有取胜。虽然差异还比较明显，但是声音的差异相比他们价格的差异来说显得小多了。
　　在试听中唯一令人失望的是当我们用D2Audio的可选ADC试听时丢失了当放大器通过它的数字输入通道处理信号时产生的透明度和三维效果。因为首席设计师和我都在房间里，所以当几天后我们听说那块我们之前听到过的ADC芯片已经不再列在打印列表里，并且设计团队已经选择了一块新的器件，一块能更好的与放大器的声音质量配合的芯片时，我们并不感到奇怪。在接下来的试听过程中，我们通过同轴SPDIF连接直接从CD播放器获得数据，并得到了满意的结果。