在多通道和數(shù)字音源時代，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，但在電路設計上絕不像純粹的數(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計、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，這些實用知識有助于設計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，D類放大器正在音頻世界掀起風暴，這一點兒也不令人驚奇。的確，隨著技術的成熟以及其所達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頗有把握的賭注，以往在這個市場上只有傳統(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接收機需要驅動六個或更多的揚聲器，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)格式要求六個獨立的輸出級，而更新推出的Dolby Digital EX要求更多的8聲道。鑒于此，D類放大技術的優(yōu)勢顯得比以往更加突出。

　　輸出級數(shù)模轉換機制

　　所有D類系統(tǒng)的共同特點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。這與線性放大器形成對比，線性放大器輸出晶體管的導通狀態(tài)隨時間變化。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”狀態(tài))，理論上根本不會損失能量。回到現(xiàn)實世界中，安裝在數(shù)以百萬計的微處理器之上的冷卻風扇表明即使是純數(shù)字系統(tǒng)也會以發(fā)熱的形式浪費能量，D類放大器達到的功率效率在85至90%之間。

　　不過，如何使一個天生只能產(chǎn)生方波的開關器件再現(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，其中矩形波的占空比與音頻信號的振幅成正比。通過與一個高頻鋸齒波比較，可以很容易地將模擬輸入轉換為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)當今的媒體格式都是數(shù)字的，在進行D類放大之前將其轉換為模擬信號不可避免地會增加噪聲并提高系統(tǒng)復雜性。在數(shù)字域將信號變換為PWM避免了這個問題，并且還消除了比較器和鋸齒波發(fā)生器，這是兩個天生會產(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構成了具有多達6.1個輸出聲道的數(shù)字輸入D類解決方案的基礎。該方案采用了I2S或類似標準格式的數(shù)字輸入，將每個聲道轉換為一個高頻PWM信號，驅動由四個功率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首先生成一個內(nèi)部時鐘，其256個周期構成一個PWM周期。根據(jù)數(shù)字輸入，PWM輸出在12至244時鐘周期之間保持為高，在其它地方則保持為低(最初12個周期總為高，最末12個周期總為低)。因此在一個PWM周期之內(nèi)可以產(chǎn)生232 (244-12)個不同的輸出電平。實際上，這就是一個232級數(shù)模轉換器(DAC)，分辨率為7.86 bits (log2 232)。不過，這還不是一個完整的故事：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，這些技術最初是為將西格瑪-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-權重)的信噪比已經(jīng)得到驗證。

　　保持內(nèi)部時鐘“清潔”至關重要，因為任何抖動都會引起PWM信號邊緣定時的隨機變化，這會以噪聲的形式出現(xiàn)在模擬輸出中。因此內(nèi)部時鐘由一個芯片內(nèi)低噪聲鎖相環(huán)(PLL)通過系統(tǒng)主時鐘產(chǎn)生。只要主時鐘適當?shù)厍鍧崳@樣就會消除掉大多數(shù)抖動。理想情況下，主時鐘也應該由WM8608產(chǎn)生。因為這樣可以把振蕩器和PLL之間的連接保留在芯片內(nèi)，就防止了來自開關輸出級或其它來源的干擾破壞時鐘。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去耦濾波器。

　　輸出級設計

　　與模擬放大器非常類似，D類輸出級可以每聲道與兩個晶體管單端連接，或者構成四晶體管橋接類型。后者通常是首選，因為它提供了無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。橋接配置的另一個優(yōu)點是將輸出振幅(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一步降低。可以計算如下：

　　其中RParasitic包括一個NMOS和一個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。

　　一個使輸出功率最大化的簡單辦法是使用低阻抗揚聲器。例如

　　，對于同樣的供電電壓，一個4Ω的負載所汲取的功率是一個8 Ω揚聲器的兩倍。但是，這會略微降低功率效率，因為與負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輸出級就可以發(fā)聲更響的技術。本質(zhì)上，它在數(shù)字域放大信號，動態(tài)調(diào)節(jié)增益來預防削波。WM8608利用了一個具有頻率相關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?shù)脑浅ｊP鍵，因為其特性對系統(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-源電壓應該至少比供電電壓高25到50%。其次，功率MOSFET的“通”電阻導致發(fā)熱并降低功率效率，因此應該盡可能低。常用的具有4或8Ω阻抗的揚聲器要求RON遠低于0.2 Ω，以保證阻性損耗適度地低。

　　開關延遲是選擇輸出器件的另一個重要參數(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加上電平轉換器)的開關延遲與最小PWM脈寬相比應該很小。一個較不明顯的潛在問題是晶體管之間開關特性的匹配。例如，如果一個NMOS器件的開啟比其對應PMOS的關閉快的多，兩種器件的“通”時期就可能在信號邊緣出現(xiàn)短時間的重疊。在兩種器件都導通的情況下，供電電源本質(zhì)上是短路的，導致功率效率降低，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，設計人員還應該關注MOSFET門電容。大電容會引起RC延遲，放慢晶體管開關速度。此外，這也增加了功率耗散，并使驅動MOSFET的電平轉換器發(fā)熱。由于同樣的原因，電平轉換器的輸入電容也應該很小。

　　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換，以便能夠正確地開關功率器件。此外，他們還提供內(nèi)置的短路和過載保護。

　　電源因素

　　線性與開關電源的對比

　　在很多方法中，開關電源相對于傳統(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，使用開關電源幫助設計人員得到了D類技術的全部好處。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。

　　開關電源的一個潛在問題是由于快速倒換大電流而引起的電磁干擾(EMI)。當電源和放大器中的不同開關頻率發(fā)生交調(diào)時，這個問題就會惡化，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類技術幾乎肯定能夠降低電源要求達50%或更多，實際的電源設計往往還是寧愿更復雜一些。理由很簡單：如果在電源和輸出之間只有開關(功率MOSFET全通或全關)，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，好的負載整流，不僅僅是針對直流而是對于整個音帶來說是不可或缺的;不良整流的電源會導致諧波失真。許多制造商提供浮動整流器，可以附加到現(xiàn)有的電源上，以便在必要時改善負載整流。在每個放大器輸出使用一個獨立的整流器具有降低音頻聲道之間串擾得額外好處。

　　瞬態(tài)行為

　　供電電源的另一個關鍵指標是其處理瞬態(tài)的能力。為了使輸出級精確地重現(xiàn)PWM信號，電源必須能夠非常快地提高或降低其電流，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，一個在線性系統(tǒng)中表現(xiàn)良好的電源可能不適合D類技術。

　　存儲電容器是確定電源瞬態(tài)行為的最關鍵元件。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?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：因為所有的輸出功率都以短的突發(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在不同時間開關，可以緩解對電源瞬態(tài)行為的要求。對于這個目標，WM8608的內(nèi)置“PWM輸出階段”功能在各個輸出聲道的PWM信號之間引入了160ns的延遲。盡管160ns遠不足以在輸出中產(chǎn)生聽覺差異，這將開關瞬態(tài)擴展到了整個PWM周期。在具有六聲道的多聲道系統(tǒng)

　　中，這種技術大大降低了最大順勢負載，并減少了串擾。

　　EMI和布局的考慮

　　EMI(電磁干擾)是D類放大器設計中永恒的關注點，因為它不得不承載高功率PWM信號的導線發(fā)射PWM頻率的電磁輻射及其進入射頻波帶的諧波。長的非屏蔽揚聲器電纜本質(zhì)上就象天線一樣。因此，重建濾波器在滿足相關規(guī)章方面起到重要作用。設計人員經(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，卻要付出增加EMI的代價。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，同時仍然保持頻率響應在音頻范圍內(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。可能的話，這些元件應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，為了防止串擾，一種在每端具有一個低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輸出可以從標準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負載終結。LVDS還降低了電磁輻射以及由長的信號運行引起的RC延遲。

　　測得的性能

　　消費者音頻放大器的三個關鍵指標是總諧波失真(THD)、信噪比(SNR)和功率效率，D類技術相對于模擬技術具有無可爭議的優(yōu)勢。對于噪聲，D類技術現(xiàn)在在消費者市場上與大多數(shù)模擬放大器相當。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，SNR在未來可能進一步改善。關鍵問題是供電電源和輸出級是否能夠跟上開關速度。這兩種元件共同決定了THD，理想情況下應該作為一個單元共同設計。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，測量顯示THD為0.01% (-80dB)，在30W時則下降到0.1% (-60dB)。還得到了高達90%的效率和超過100dB (A-權重)的SNR。在同等線性放大器一半的功率消耗之下，D類技術達到這樣的性能指標，證明其已經(jīng)發(fā)展到了一個在消費者音頻業(yè)務中無人能夠忽視的地步。