D類(lèi)放大器早在1958年就被人們提出，近年來(lái)，其應(yīng)用越來(lái)越普及。D類(lèi)放大器是什么？它們與其它種類(lèi)的放大器相比怎么樣？為什么音頻應(yīng)用鐘愛(ài)D類(lèi)放大器？設(shè)計(jì)和應(yīng)用一款優(yōu)良的D類(lèi)音頻放大器需要怎么做？下面本文嘗試回答所有這些問(wèn)題。
D類(lèi)放大器術(shù)語(yǔ)以及差分方式與單端方式的比較
下圖展示的是出D類(lèi)放大器中輸出晶體管和LC濾波器的差分實(shí)現(xiàn)。
這個(gè)H橋有兩個(gè)半橋開(kāi)關(guān)電路，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路為濾波器提供相反極性的脈沖，其中濾波器由兩個(gè)電感器、兩個(gè)電容器和揚(yáng)聲器組成。每個(gè)半橋含有兩個(gè)輸出晶體管，其中一個(gè)連接到正電源的高端晶體管MH，另一個(gè)則連接到負(fù)電源的低端晶體管ML。圖3中展示的是高端pMOS晶體管。高端nMOS晶體管被經(jīng)常用來(lái)減小尺寸和電容，但需要特殊的柵極驅(qū)動(dòng)方法對(duì)之進(jìn)行控制。
全H橋電路一般采用單電源(VDD)供電，接地端用于接負(fù)電源端(VSS)。對(duì)于給定的VDD和VSS，H橋電路的差分特性使它提供的輸出信號(hào)能達(dá)到單端方式輸出信號(hào)的兩倍，而輸出功率則是單端方式的四倍。半橋電路可由雙極性電源或單極性電源供電，但單電源供電會(huì)對(duì)給揚(yáng)聲器產(chǎn)生一個(gè)有潛在危害的直流偏置電壓DD/2，除非加一個(gè)隔直電容器。
LC濾波器上的大電感器電流可以激勵(lì)半橋電路的電源電壓總線超過(guò)其標(biāo)定值。在VDD和VSS之間加大去耦電容器可以限制瞬變dv/dt。全橋電路不受總線激勵(lì)的影響，因?yàn)殡姼衅麟娏鲝囊粋€(gè)半橋流入，從另一個(gè)半橋流出，從而使本地電流環(huán)路對(duì)電源干擾極小。
音頻D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)中必須考慮的要素
D類(lèi)放大器的低功耗優(yōu)點(diǎn)使它被廣泛用于音頻應(yīng)用中，但對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，還有一些重要問(wèn)題需要考慮，包括：
- 輸出晶體管尺寸選擇；
- 輸出級(jí)保護(hù)；
- 音質(zhì)；
- 調(diào)制方法；
- EMI ；
- LC濾波器設(shè)計(jì)；
- 系統(tǒng)成本。
輸出晶體管尺寸選擇
選擇輸出晶體管尺寸是為了在寬范圍信號(hào)調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗。當(dāng)傳導(dǎo)大的IDS的情況下，要確保較小的VDS，就要求輸出晶體管的導(dǎo)通電阻(RON)很小(一般為0.1Ω~0.2Ω)。但這要求大晶體管具有很大的柵極電容(CG)。開(kāi)關(guān)電容柵極驅(qū)動(dòng)電路的功耗為CV2f，其中C是電容，V是充電期間的電壓變化，而f則是開(kāi)關(guān)頻率。如果電容或頻率太高，“開(kāi)關(guān)損耗”就會(huì)過(guò)大，所以這里有一個(gè)實(shí)際的上限。因此，在選擇晶體管尺寸時(shí)，必須在降低傳導(dǎo)期間IDS - VDS損耗與降低開(kāi)關(guān)損耗之間做一個(gè)權(quán)衡。在高輸出功率情況下，功耗和效率由傳導(dǎo)損耗決著，而在低輸出功率情況下，功耗則主要由開(kāi)關(guān)損耗決定。功率晶體管制造商試圖將其產(chǎn)品的RON - CG減至最小以減少開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的總功耗，從而提供開(kāi)關(guān)頻率選擇上的靈活性。
輸出級(jí)保護(hù)
必須對(duì)輸出級(jí)加以保護(hù)，以使其免受各種潛在危害：
過(guò)熱：D類(lèi)放大器的輸出級(jí)功耗低于線性放大器的輸出級(jí)功耗，但如果它被迫長(zhǎng)期處于極高功率狀態(tài)，仍會(huì)對(duì)輸出晶體管構(gòu)成危害。為防止過(guò)熱危險(xiǎn)，必須采用溫度監(jiān)視控制電路。在簡(jiǎn)單的保護(hù)方案中，當(dāng)片內(nèi)傳感器測(cè)量的溫度超過(guò)熱關(guān)斷安全閾值時(shí)，輸出級(jí)會(huì)被關(guān)斷，并且一直保持關(guān)斷狀態(tài)直到冷卻。除了提供簡(jiǎn)單的有關(guān)溫度是否已經(jīng)超過(guò)關(guān)斷閾值的二進(jìn)制指示，傳感器還可提供其它的溫度信息。通過(guò)測(cè)量溫度，控制電路可逐漸減小音量水平，減少功耗并且很好地將溫度保持在限定值范圍內(nèi)，而不是在熱關(guān)斷期間強(qiáng)制靜音。
輸出晶體管過(guò)流：輸出級(jí)和揚(yáng)聲器端若能正確連接，輸出晶體管很容易就能實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻狀態(tài)，但如果這些結(jié)點(diǎn)不慎與另一個(gè)結(jié)點(diǎn)或正、負(fù)電源短路，就會(huì)產(chǎn)生巨大的電流。如果沒(méi)有查出來(lái)，這個(gè)大電流會(huì)破壞晶體管或外圍電路。因此，必須采用電流檢測(cè)輸出晶體管保護(hù)電路。在簡(jiǎn)單保護(hù)方案中，輸出級(jí)會(huì)在輸出電流超過(guò)安全閾值時(shí)關(guān)斷。而在復(fù)雜方案中，則是由電流傳感器輸出反饋到放大器中，試圖限制輸出電流到一個(gè)最大安全水平，同時(shí)允許放大器連續(xù)工作而無(wú)須關(guān)斷。在該方案中，如果限流保護(hù)無(wú)效，就只能強(qiáng)制關(guān)斷了。有效的限流器還可在由于揚(yáng)聲器共振出現(xiàn)暫時(shí)的大瞬態(tài)電流時(shí)保持放大器安全工作。
欠壓：只有當(dāng)正電源電壓足夠高時(shí)，開(kāi)關(guān)輸出級(jí)電路才能正常工作。在電源電壓太低的欠壓情況下，問(wèn)題就很容易產(chǎn)生。一般可以通過(guò)欠壓封鎖電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，該電路只有當(dāng)電源電壓大于欠壓封鎖閾值時(shí)才允許輸出級(jí)工作。
輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)序：用來(lái)保護(hù)輸出級(jí)的MH和ML輸出級(jí)晶體管的導(dǎo)通電阻很低。因此，必須避免MH和ML同時(shí)導(dǎo)通的情況，因?yàn)檫@會(huì)在晶體管上產(chǎn)生一個(gè)從VDD到VSS的低電阻路徑和一個(gè)很大的沖擊電流。一旦發(fā)生這種情況，最幸運(yùn)的后果就是晶體管發(fā)熱并且消耗功率，但最壞的情況是晶體管可能被毀壞。通過(guò)先開(kāi)后合的控制方法，可以在開(kāi)啟其中一個(gè)晶體管之前強(qiáng)制關(guān)閉兩個(gè)，從而防止沖擊電流情況發(fā)生。兩個(gè)晶體管都斷開(kāi)的時(shí)間間隔被稱(chēng)為非重疊時(shí)間或死區(qū)時(shí)間。
圖：輸出級(jí)晶體管的先合后開(kāi)方式
下一部分將討論音質(zhì)。