标签: D类放大器

广受欢迎的555定时器可用作乐器或其他应用的PWM/D类放大器。其可在4.5V～16V的电源电压范围内工作，并可输出200mA的驱动电流。音频信号被传送至555定时器的CV( 控制电压)引脚。 本设计实例为耳机和音频线路提供两个简单、便宜的驱动器，分别如图1、图2所示。这两个驱动器针对电吉他和小提琴设计，但也可适用于更多其他应用。对于这样的简单应用而言，噪声和总谐波失真(THD)并不是重点考虑因素，因此并未对这两个数值进行测量。 图1：含运算放大器和NE555定时器的耳机和音频线路驱动器。也可以使用CMOS版本(如LMC555)，但输出电流较低。其优点为工作频率较高。 （点击查看大图） 下述为一些设计考虑因素： ● CV引脚的输入电阻约为3kΩ，在大多数音频应用中，需要某种音频前置放大器/缓冲器。 ● CV需要极大幅度的输入音频信号。所需的幅度取决于555定时器的电源和所需的输出音频功率。 ● 555定时器作为振荡器使用，通过施加至CV的较低频音频信号对其进行调制。振荡频率应最好至少为最大所需音频频率的10倍。对音频应用而言，频率应介于60kHz至200kHz之间。这样就简化了555定时器所产生的高频噪声的滤除，并维持了高切换效率。 ● 需留意射频发射。至少应在555定时器的输出端和扬声器或耳机间设置一个一阶低通滤波器。若电缆较长，则应考虑电缆寄生电容(最好为双绞线)。 通过A v1 =1+R6/R12这一公式，第一级增益由R6和R12设定为约11。 CV上无输入模拟信号时的定时器的频率取决于R7、R8及C5的值，其标准计算公式如下： f=1.44/((R7+2R8)×C5)(Hz) NE555的输出信号传输至连接器OUT1、OUT2和OUT3。R9、C7和负载可作为低通滤波器，用于滤除定时器产生的高频分量。若未经滤波，这些分量会产生辐射，导致放大器周围的敏感电子设备出现问题。应尽量降低滤波器的截止频率，并选用具有较高电阻的耳机。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 结型场效应晶体管(JFET)版本 电路也可使用场效应晶体管或双极型晶体管来获取高输入阻抗，放大NE555之前的音频信号。 电路的输入级构建于JFET T1周围。电阻器R4*和R5*应具有最小适用值。它们应产生一定增益，且具有低输出阻抗以驱动555定时器。在无输入信号的情况下，A点和B点之间的直流电压约为V EE /3。该电路比图1所示的电路要简单，但可能需要根据所选用的晶体管T1和第一级所需的电压增益，对R4*和R5*进行调整。此处的问题是，给定类型的JFET参数的差别可能超过4:1。当开关S1闭合时，T1的增益设置为最大值。 图2：含JFET输入和NE555的耳机/线路驱动器。 （点击查看大图） 双极型晶体管T2可提高JFET的驱动能力。此外，其还支持使用较高的R4*数值，从而增加T1的电压增益。 图3所示电路采用两个工作在不同频率下的555定时器，以获取不同的音效。 图3：采用两个工作在不同频率下的555定时器电路，以获取不同的音效。 （点击查看大图） 结论 这类电路可在555定时器的整个电压范围(4.5V～16V)内运行，但更高的+V EE (如12V～16V)为首选。这将产生更多输出功率，大多数运算放大器和JFET在该电压范围内运行效果更佳。 这类电路可驱动高阻抗扬声器和耳机—超过24Ω的为首选。不管在何种情况下，较好的做法是使555定时器的峰值输出电流保持在150mA以下。这样将把芯片的功耗保持在可接受的程度内。若输出电流远高于100mA，555定时器输出晶体管的压降会快速增加。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

　　为电子产品选择合适的器件是一项非常复杂的事情，常常要在许多方面反复进行折中，例如D类音频放大器就是这种器件。 　　下面通过一个假设的应用，例如由墙上电源适配器或碱性电池供电的手机或个人媒体播放器(PMP)底座，来介绍选择这类放大器的过程。 　 　市场推广的需求 　　市场人员可能对产品提出很多具体建议，从一个很小的细节(例如，应该使用立体声扬声器)，到一堆要求与竞争产品相媲美的指导意见。市场人员也可能提出让产品符合业界的性能标准(如Microsoft Windows Vista或Dolby Digital认证)。 　　在我们的项目中(PMP底座或外置音箱)，我们假设市场人员要求产品在采用电池供电时，声音要尽可能大，工作时间要尽可能长，而且当电池快耗尽时应该温和适度地降低性能，使用两个直径50mm、功率为3W的8Ω扬声器。我们进一步假设，市场人员没有对底座的传输带宽、线性度或信噪比(SNR)提出更多的意见。 　　电路约束 　　如果产品有两个电源，一个是稳压的12V墙上电源适配器，一个是可选的碱性电池组(采用新电池时的标称电压为9V，在电能快耗尽时的电压为6V)。 　　输出 功率决定了放大器所需的输出级拓朴。为向8Ω负载提供每通道3W的功率，需要4.90Vrms左右的供电电压，或是6.93V的峰值电压。由于单端(半桥)布局即使在最好的供电条件下也无法产生所需的功率，必须采用BTL(全桥)拓扑。 　　进一步说，在最差(6V)的供电电压时，即使BTL放大器也不能产生维持3W输出所需的6.93V峰值电压。不过这可能不是问题，因为接近完全放电的电池一般不可能提供两个3W扬声器所需的电流了。最终的产品将可以实现市场人员所说的“温和降级”的特点。 　　物理/机械约束 　　D类音频放大器的效率要远高于线性(AB类)放大器。换言之，如果要给负载提供一个给定的输出功率，D类放大器在散热上浪费的功率要远小于相同输出功率的AB类放大器。 　　有必要检查是否需要特殊的热设计。假设，现在有一个合适的立体声D类放大器，可以在4.5V电压下工作，由正常工作的电源供电，可以输出2×3W的足够功率。 　　在2×3W输出功率(驱动两个通道)的条件下，效率与输出功率的关系图如图所示，从图中可见，器件的典型效率是82%。当有了这个指标之后，可由下式得出在这些条件下的散热功率。 　　η=Pout/Pin=Pout/(Pout+Pdiss) 　　Pdiss=Pout×(1-η)/η 　　这里，η为百分比。 　　图  效率与输出功率的关系曲线 　　立体声输出是6W(2×3W)，效率是82%，可以计算出Pdiss=1.32W，这可不是一个小数字。采用器件建议的封装，不太容易把热量散发出去，所以把热量散发出去的唯一办法是通过PCB板上的镀铜。 　　因此，在PCB布局阶段需要注意，确保暴露在器件下的引脚是与PCB板连在一起的，通过多条路径连到焊料侧的带铜接地上。在成本和封装约束允许的情况下，在PCB板上暴露的铜面应该尽可能大，以便将放大器产生的热量散出去。 　　这时，D类放大器的评估板是非常有帮助的，生产商提供的PCB布局和元器件的放置位置可以做为很好的参考，并可以通过实验室测试，知道器件在加负载情况的温升，并确保在高温下器件不会关断或发生误动作。 　　EMI约束 　　D类放大器的输出级会在电源轨之间快速地开和关，从而达到此类器件所特有的高效率。对放置在放大器附近的其他设备和电路来说，这种快速上升和跌落时间所产生的EMI是非常有害的。虽然对于采用D类放大器时，如何进行折中以满足RF辐射标准的详细分析超出了本文的论述范围，下面列出一些可供参考的指导意见。 　　首先是要了解产品必须满足的辐射标准，以及在满足标准的前提下希望留出的裕量。 　　不要假设所用的D类放大器的开关频率是300kHz，不会碰到30MHz或以上的情况，超出这个频段范围的辐射经常被检测。在100倍基本开关频率的声频段，都会出现难以消除的EMI辐射。 　　扬声器的引线实际上是一个有效的RF辐射天线。引线越长，会出现EMI问题的频率就越低。 　　如果在扬声器前使用了LC滤波器，截止频率为20kHz，就必须检查电感在整个EMI辐射频率范围内是否能够正常工作。 　　如果在底座外壳内有足够的空间和充足的PCB板面积，在设计PCB板原型时就可以有多个滤波器设计方案，这样就可以在产品进行EMC测试时尝试不同的方案，以达到所需的性能。 　　一些放大器提供商发布了在给定的电缆长度和滤波器元件的条件下，评估套件的RF辐射性能测试结果，这样就大大方便了工程师着手进行设计。为了从源头上减少EMI，大多数新型D类放大器都使用了专利的调制技术，以保证音频质量和效率。 　　供应链约 束 　　不幸的是，在为产品仔细选择器件之后，要由许多非工程方面的因素来决定是否采用这种器件。下面是一些可能碰到的问题。 　　● 供应商是否通过了采购认证？ 　　● 器件供应商的技术支持人员是否胜任？ 　　● 后续成本满足目标要求吗？ 　　● 对供货商能够以所需的数量提供稳定可靠的产品是否有信心？ 　　细节设计 　　在任何音频系统设计中，精细的外观可以增加(或减少)用户对产品的整体体验。在选择各个音频部件的增益时，应在避免出现扬声器限幅失真的条件下，使整体的增益结构能够达到高音量。但也不能使增益过大，避免噪声超出可接受的音量水平。 　　应该使在开机和关机时出现的瞬态噪声最小化，但要抑制噪声，产品、价位和用户体验都会发生变化。对喀嗒声的抑制性能最终是由放大器决定的。一些生产商在数据表中给出了典型的喀嗒声抑制参数，这样就可以在进行听觉测试前,对不同器件进行比较。

 作者：飞兆半导体公司 Bill Llewellyn   最近这些年，许多包含电动扬声器(powered speaker)的便携设备得到了快速发展——包括手机、MP3播放器、GPS系统、膝上型电脑和笔记本电脑、平板电脑、游戏机、玩具等等。在这些应用中，通常选用的驱动扬声器的音频放大器类型被称为“D类”(或开关)放大器，因为相比传统的AB类放大器设计，这类放大器的散热较少(在紧凑型产品中非常 重要)，且效率较高(延长电池寿命)。D类放大器开关拓扑的一个可能存在的缺点，就是其容易发出电磁辐射，可能会干扰周边其它电子设备。可以通过外部无源 滤波方法将这种干扰缓减到某种程度，但这会增加最终产品的成本、占位面积以及复杂性。本文将探讨某些用于减轻EMI问题的内部电路设计方法。 边缘速率控制 为了放大音频信号，D类放大器的输出(或各种输出，以不同的配置) 在两个电源轨(通常为正极和接地)之间交替切换，其频率是所需放大的最高音频频率的10倍或更高(可能为300kHz或更高)。开关信号是经过调制的，从 而通过简单的、有时是扬声器本身包含的低通滤波器来恢复音频信号。此开关转换一般速度非常快——也许是2ns或更短——因而包含显著的高频能量。这会导致 互连导线缆产生EMI辐射，尤其是在信号路径中无低通滤波器，以及放大器和扬声器之间的导线长度是非常明显的情形下(也许超过1cm)。 用于缓减EMI辐射的一个方法是减低放大器输出的转换速率(slew rate)。图1所示为时域中的一个例子，其上方迹线有2ns的上升和下降时间，而下方迹线有20ns的上升和下降时间。   图1. 具有2ns和20ns转换时间的D类放大器输出波形 转换速率的减小(这里的因数为10) 对于D类放大器产生的辐射能量有着显著的影响。图2 显示了两种波形的频谱，此时D类输出正处于静默(无音频，占空比=50%)，开关频率为333kHz。可以看到贯穿于30MHz至1GHz之间的大部分频 谱，其高频(HF)内容减少约20dB。在包含有FM广播接收电子设备(88MHz – 108MHz)和/或手机或无线互联网电路(700MHz – 2.7GHz)的系统中，这可大幅减少EMI，从而降低了可能影响系统性能的风险。   图2. 在2ns(红色)和20ns(蓝色)上升和下降时间的D类输出频谱 图2清楚地显示了边缘速率控制(edge rate control，ERC)技术减少EMI的优势，不过代价是增加了损耗。首先是D类放大器提供的效率优势，主要来自于输出器件始终完全开启或完全关闭，因 此输出器件中的瞬时耗散功率，P= VI，在所有时间里基本上保持为零 (不同于AB类放大器，其功率器件的VI乘积从不为零)。在每次开关转换时引入(或增加)时间跨度，其间V ≠ 0，同时负载电流I ≠ 0，导致片上功耗适度增加，因而带来效率的降低。其次，一个非ERC输出级在本质上仅是一个大型逆变器(可能包括直通或短路冲击电流的缓减)，而一个 ERC输出级包含附加电路，能够调节上拉和下拉器件的触发电压，以便在输出端上产生期望的、受控制的转换速率。取决于所使用的方法，这增加了芯片面积(成 本)和电流消耗(降低效率)。总的来说，由于增添ERC而产生的效率代价可能为1-2%。 扩频时钟 上述讨论的边缘速率控制(ERC)是一个有效的方法，可减弱在30MHz以上频率范围产生的EMI (也受限于FCC法规的限制)，而D类放大器开关输出的基本载波频率和其落在30MHz以下范围的相关奇次谐波(方波)，则不太好采用这项技术来处理。图 3所示为此频带出现的由传统的、未修改的D类放大器输出产生的能量。   图3.  无扩频时脉的D类输出频谱 为了减小D类输出频谱中的基音和泛音尖峰高度，可以在放大器的时钟电路中加入少量频率调制——也许调制指数在+/-5%左右，不会影响所放大音频信号的质 量。虽然针对调制信号源的特性有许多选择，一个常规作法是使用带有重复频率(全模式重复频率)的伪随机模式，其超出最高预期音频信号频率(通常为 20kHz)一个适当的余量，这可防止产生可能落入音频频带的音调。 图4显示了和图3所示相同的D类输出，但其带有+/-5%调制，在40kHz模式重复频率下由伪随机序列来实现。   图4. 带有扩频时脉的D类输出频谱   图5. 带有(蓝色)和未带有(棕色)扩频时脉的D类输出频谱 图5显示了图3和图4颜色叠加后的图片，更清楚地显示了由扩频时脉带来的差异。能够看见在整个频谱范围内，基准时钟频率的奇次谐波被抑制了将近10dB。 单边调制 可以采用一种附加方法来减少EMI，通过修改调制方案，当音频基带信号振幅变得足够大时，允许单边差分或桥式D类输出对停止切换。这本质上允许反向输出， 一直持续到开关，以便进行全面调制，将输出信号保持在剩余间隔直至其最高峰值。在此方案下，在很大比例时间内(取决于音频源材料)，仅有一个输出在开关， 因而EMI(在那个时间内)减少了一半。这增加了优势，减少了由于功率器件门和其它寄生电容充放电带来的固定开关损耗。它还缩短了输出在ERC转换方面的 时间，如上所述，该转换有少量的效率代价。此技术的缺点是放大器的整体前向增益会有些许降低，同样地，总体谐波失真(total harmonic distortion，THD)和噪声也有少量增加。   图6. 过滤的差分D类输出和未过滤的正向和反向开关输出，显示单边调制的作用   图7. 带有(绿色)和未带有(蓝色)单边调制的D类输出频谱 结论  D类放大器通常用于便携设备，因其功率效率超过传统AB类放大器。D类技术的主要缺点是其固有的EMI，会对周边电子设备产生不利影响。现在已经出现了一些所熟知，并很有效的IC设计技术，能够极大地缓解EMI问题，而无需负担额外的外部元件。