【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)成本；散熱。 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時(shí)保證VDS很小，要求輸出晶體管的導(dǎo)通電阻(RON)很小(～)。但這要求大晶體管具有很大的柵極電容(CG)。開關(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，f是開關(guān)頻率。如果電容或頻率太高，這個(gè)“開關(guān)損耗”就會(huì)過大，所以存在實(shí)際的上限。因此，晶體管尺寸的選擇是傳導(dǎo)期間將IDSVDS損失降至最小與將開關(guān)損耗降至最小之間的一個(gè)折衷。在高輸出功率情況下，功耗和效率主要由傳導(dǎo)損耗決定，而在低輸出功率情況下，功耗主要由開關(guān)損耗決定。功率晶體管制造商試圖將其器件的RONCG減至最小以減少開關(guān)應(yīng)用中的總功耗，從而提供開關(guān)頻率選擇上的靈活性。 輸出級(jí)保護(hù)輸出級(jí)必須加以保護(hù)以免受許多潛在危險(xiǎn)條件的危害： 過熱: 盡管D類放大器輸出級(jí)功耗低于線性放大器，但如果放大器長時(shí)間提供非常高的功率，仍會(huì)達(dá)到危害輸出晶體管的水平。為了防止過熱危險(xiǎn)，需要溫度監(jiān)視控制電路。在簡單的保護(hù)方案中，當(dāng)通過一個(gè)片內(nèi)傳感器測(cè)量的溫度超過熱關(guān)斷安全閾值時(shí)，輸出級(jí)關(guān)斷，并且一直保持到冷卻下來。除了簡單的有關(guān)溫度是否已經(jīng)超過關(guān)斷閾值的二進(jìn)制指示以外，傳感器還可提供其它的溫度信息。通過測(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)制不發(fā)出聲音。輸出晶體管過流: 如果輸出級(jí)和揚(yáng)聲器端正確連接，輸出晶體管呈低導(dǎo)通電阻狀態(tài)不會(huì)出現(xiàn)問題，但如果這些結(jié)點(diǎn)不注意與另一個(gè)結(jié)點(diǎn)或正、負(fù)電源短路，會(huì)產(chǎn)生巨大的電流。如果不經(jīng)核查，這個(gè)電流會(huì)破壞晶體管或外圍電路。因此，需要電流檢測(cè)輸出晶體管保護(hù)電路。在簡單保護(hù)方案中，如果輸出電流超過安全閾值，輸出級(jí)關(guān)斷。在比較復(fù)雜的方案中，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)工作而無須關(guān)斷。在這個(gè)方案中，如果限流保護(hù)無效，最后的手段是強(qiáng)制關(guān)斷。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: 大多數(shù)開關(guān)輸出級(jí)電路只有當(dāng)正電源電壓足夠高時(shí)才能正常工作。如果電源電壓太低，出現(xiàn)欠壓情況，就會(huì)出現(xiàn)問題。這個(gè)問題通常通過欠壓封鎖電路來處理，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。圖53 輸出級(jí)晶體管的先合后開開關(guān) 輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)序 : MH和ML輸出級(jí)晶體管(見圖53)具有非常低的導(dǎo)通電阻。因此，避免MH和ML同時(shí)導(dǎo)通的情況很重要，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生一個(gè)從VDD到VSS的低電阻路徑通過晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。最好的情況是晶體管發(fā)熱并且消耗功率；最壞的情況是晶體管可能被毀壞。晶體管的先開后合控制通過在一個(gè)晶體管導(dǎo)通之前強(qiáng)制兩個(gè)晶體管都斷開以防止沖擊電流情況發(fā)生。兩個(gè)晶體管都斷開的時(shí)間間隔稱為非重疊時(shí)間或死區(qū)時(shí)間。 音質(zhì)處理在D類放大器中，要獲得好的總體音質(zhì)必須解決幾個(gè)問題?！翱ù睢甭暎寒?dāng)放大器導(dǎo)通或斷開時(shí)發(fā)出的卡搭聲非常討厭。但不幸的是，它們易于引入到D類放大器中，除非當(dāng)放大器靜噪或非靜噪時(shí)特別注意調(diào)制器狀態(tài)、輸出級(jí)時(shí)序和LC濾波器狀態(tài)。信噪比(SNR):為了避免放大器本底噪聲產(chǎn)生的嘶嘶聲，對(duì)于便攜式應(yīng)用的低功率放大器，SNR通常應(yīng)當(dāng)超過90 dB，對(duì)于中等功率設(shè)計(jì)SNR應(yīng)當(dāng)超過100 dB，對(duì)于大功率設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)超過110 dB。這對(duì)于各種放大器是可以達(dá)到的，但在放大器設(shè)計(jì)期間必須跟蹤具體的噪聲源以保證達(dá)到滿意的總體SNR。失真機(jī)理: 失真機(jī)理包括調(diào)制技術(shù)或調(diào)制器實(shí)現(xiàn)中的非線性，以及為了解決沖擊電流問題輸出級(jí)所采用的死區(qū)時(shí)間。在D類調(diào)制器輸出脈寬中通常對(duì)包含音頻信號(hào)幅度的信息進(jìn)行編碼。用于防止輸出級(jí)沖擊電流附加的死區(qū)時(shí)間會(huì)引入非線性時(shí)序誤差，它在揚(yáng)聲器產(chǎn)生的失真與相對(duì)于理想脈沖寬度的時(shí)序誤差成正比。用于避免沖擊最短的死區(qū)時(shí)間對(duì)于將失真減至最小經(jīng)常是最有利的。其它失真源包括：輸出脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間的不匹配，輸出晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)序特性的不匹配，以及LC低通濾波器元器件的非線性。電源抑制 (PSR): 在下圖所示的電路中，電源噪聲幾乎直接耦合到輸出揚(yáng)聲器，具有很小的抑制作用。發(fā)生這種情況是因?yàn)檩敵黾?jí)晶體管通過一個(gè)非常低的電阻將電源連接到低通濾波器。濾波器抑制高頻噪聲，但所有音頻頻率都會(huì)通過，包括音頻噪聲。圖54 D類開環(huán)放大器框圖 如果不解決失真問題和電源問題，就很難達(dá)到PSR優(yōu)于10 dB，或總諧波失真(THD)%。甚至更壞的情況，THD趨向于有害音質(zhì)的高階失真。使用具有高環(huán)路增益的反饋(正如在許多線性放大器設(shè)計(jì)中所采用的)幫助很大。LC濾波器輸入的反饋會(huì)大大提高PSR并且衰減所有非LC濾波器失真源。LC濾波器非線性可通過在反饋環(huán)路中包括的揚(yáng)聲器進(jìn)行衰減。在精心設(shè)計(jì)的閉環(huán)D類放大器中，可以達(dá)到PSR 60 dB和THD %的高保真音質(zhì)。但反饋使得放大器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因?yàn)楸仨殱M足環(huán)路的穩(wěn)定性(對(duì)于高階設(shè)計(jì)是一種很復(fù)雜的考慮)。連續(xù)時(shí)間模擬反饋對(duì)于捕獲有關(guān)脈沖時(shí)序誤差的重要信息也是必需的，因此控制環(huán)路必須包括模擬電路以處理反饋信號(hào)。在集成電路放大器實(shí)現(xiàn)中，這會(huì)增加管芯成本。為了將IC成本減至最低，一些制造商喜歡不使用或使用最少的模擬電路部分。有些產(chǎn)品用一個(gè)數(shù)字開環(huán)調(diào)制器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器來檢測(cè)電源變化，并且用調(diào)整調(diào)制器進(jìn)行補(bǔ)償。這樣可以改善PSR，但不會(huì)解決任何失真問題。其它的數(shù)字調(diào)制器試圖對(duì)預(yù)期的輸出級(jí)時(shí)序誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，或?qū)Ψ抢硐氲恼{(diào)制器進(jìn)行校正。這樣至少會(huì)處理一部分失真源，但不是全部。對(duì)于音質(zhì)要求寬松的應(yīng)用，可通過這些開環(huán)D類放大器進(jìn)行處理，但對(duì)于最佳音質(zhì)，有些形式的反饋似乎是必需的。 EMI處理D類放大器輸出的高頻分量值得認(rèn)真考慮。如果不正確理解和處理，這些分量會(huì)產(chǎn)生大量EMI并且干擾其它設(shè)備的工作。兩種EMI需要考慮：輻射到空間的信號(hào)和通過揚(yáng)聲器及電源線傳導(dǎo)的信號(hào)。D類放大器調(diào)制方案決定傳導(dǎo)EMI和輻射EMI分量的基線譜。但是，可以使用一些板級(jí)的設(shè)計(jì)方法減少D類放大器發(fā)射的EMI，而不管其基線譜如何。一條有用的原則是將承載高頻電流的環(huán)路面積減至最小，因?yàn)榕cEMI相關(guān)的強(qiáng)度與環(huán)路面積及環(huán)路與其它電路的接近程度有關(guān)。例如，整個(gè)LC濾波器(包括揚(yáng)聲器接線)的布局應(yīng)盡可能地緊密，并且保持靠近放大器。電流驅(qū)動(dòng)和回路印制線應(yīng)當(dāng)集中在一起以將環(huán)路面積減至最小(揚(yáng)聲器使用雙絞線對(duì)接線很有幫助)。另一個(gè)要注意的地方是當(dāng)輸出級(jí)晶體管柵極電容開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。通常這個(gè)電荷來自儲(chǔ)能電容，從而形成一個(gè)包含兩個(gè)電容的電流環(huán)路。通過將環(huán)路面積減至最小可降低環(huán)路中瞬態(tài)的EMI影響，意味著儲(chǔ)能電容應(yīng)盡可能靠近晶體管對(duì)它充電。有時(shí)，插入與放大器電源串聯(lián)的RF厄流線圈很有幫助。正確布置它們可將高頻瞬態(tài)電流限制在靠近放大器的本地環(huán)路內(nèi)，而不會(huì)沿電源線長距離傳導(dǎo)。如果柵極驅(qū)動(dòng)非重疊時(shí)間非常長，揚(yáng)聲器或LC濾波器的感應(yīng)電流會(huì)正向偏置輸出級(jí)晶體管端的寄生二極管。當(dāng)非重疊時(shí)間結(jié)束時(shí)，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪?。在二極管完全斷開之前，會(huì)出現(xiàn)大的反向恢復(fù)電流尖峰，從而產(chǎn)生麻煩的EMI源。通過保持非重疊時(shí)間非常短(還建議將音頻失真減至最小)使EMI減至最小。如果反向恢復(fù)方案仍不可接受，可使用肖特基(Schottky)二極管與該晶體管的寄生二極管并聯(lián)，以轉(zhuǎn)移電流并且防止寄生二極管一直導(dǎo)通。這很有幫助，因?yàn)镾chottky二極管的金屬半導(dǎo)體結(jié)本質(zhì)上不受反向恢復(fù)效應(yīng)的影響。具有環(huán)形電感器磁芯的LC濾波器可將放大器電流導(dǎo)致的雜散現(xiàn)場(chǎng)輸電線影響減至最小。在成本和EMI性能之間的一種好的折衷方法是通過屏蔽減小來自低成本鼓形磁芯的輻射。 LC濾波器設(shè)計(jì)為了節(jié)省成本和PCB面積，大多數(shù)D類放大器的LC濾波器采用二階低通設(shè)計(jì)。下圖示出一個(gè)差分式二階LC濾波器。揚(yáng)聲器用于減弱電路的固有諧振。盡管揚(yáng)聲器阻抗有時(shí)近似于簡單的電阻，但實(shí)際阻抗比較復(fù)雜并且可能包括顯著的無功分量。要獲得最佳濾波器設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)總是爭取使用精確的揚(yáng)聲器模型。圖55 差分開關(guān)輸出級(jí)和LC低通濾波器常見的濾波器設(shè)計(jì)選擇目的是為了在所需要的最高音頻頻率條件下將濾波器響應(yīng)下降減至最小以獲得最低帶寬。如果對(duì)于高達(dá)20 kHz頻率，要求下降小于1 dB，則要求典型的濾波器具有40 kHz巴特沃斯(Butterworth)響應(yīng)(以達(dá)到最大平坦通帶)。對(duì)于常見的揚(yáng)聲器阻抗以及標(biāo)準(zhǔn)的L值和C值，表51給出了標(biāo)稱元器件值及其相應(yīng)的近似Butterworth響應(yīng)。表51 標(biāo)稱元器件值如果設(shè)計(jì)不包括揚(yáng)聲器反饋，揚(yáng)聲器THD會(huì)對(duì)LC濾波器元器件的線性度敏感。電感器設(shè)計(jì)考慮因素：設(shè)計(jì)或選擇電感器的重要因素包括磁芯的額定電流和形狀，以及繞線電阻。額定電流：選用磁芯的額定電流應(yīng)當(dāng)大于期望的放大器的最高電流。原因是如果電流超過額定電流閾值并且電流密度太高，許多電感器磁芯會(huì)發(fā)生磁性飽和，導(dǎo)致電感急劇減小，這是我們所不期望的。通過在磁芯周圍繞線而形成電感。如果繞線匝數(shù)很多，與總繞線長度相關(guān)的電阻很重要。由于該電阻串聯(lián)于半橋和揚(yáng)聲器之間，因而會(huì)消耗一些輸出功率。如果電阻太高，應(yīng)當(dāng)使用較粗的繞線或選用要求繞線匝數(shù)較少的其它金屬材質(zhì)的磁芯，用以提供需要的電感。最后，不要忘記所使用的電感器的形狀也會(huì)影響EMI，正如上面所提到的。D類放大器的有源器件是開關(guān)輸出級(jí)和調(diào)制器。構(gòu)成該電路的成本大致與模擬線性放大器相同。真正需要考慮的折衷是系統(tǒng)的其它元器件。D類放大器的低功耗節(jié)省了散熱裝置的成本(以及PCB面積)，例如，散熱片或風(fēng)扇。D類集成電路放大器可采用比模擬線性放大器尺寸小和成本低的封裝。當(dāng)驅(qū)動(dòng)數(shù)字音頻源時(shí)，模擬線性放大器需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。對(duì)于處理模擬輸入的D類放大器也需如此轉(zhuǎn)換，但對(duì)于數(shù)字輸入的D類放大器有效地集成了DAC功能。另一方面，D類放大器的主要成本缺點(diǎn)是LC濾波器。LC濾波器的元器件，尤其是電感器，占用PCB面積并且增加成本。在大功率放大器中，D類放大器的總體系統(tǒng)成本仍具有競(jìng)爭力，因?yàn)樵谏嵫b置節(jié)省的大量成本可以抵消LC濾波器的成本。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。在極個(gè)別情況下，例如，用于蜂窩電話的低成本放大器，放大器IC的成本可能比LC濾波器的總成本還要低。即使是忽略成本方面的考慮，LC濾波器占用的PCB面積也是小型應(yīng)用中的一個(gè)問題。 散熱注意事項(xiàng)D類放大器相比AB類放大器具有更高的效率和更好的熱性能。盡管如此，使用D類仍然需要放大器時(shí)慎重考慮其散熱。1. 連續(xù)正弦波與音樂在實(shí)驗(yàn)室評(píng)估D類放大器性能時(shí)，常使用連續(xù)正弦波作為信號(hào)源。盡管使用正弦波進(jìn)行測(cè)量比較方便，但這樣的測(cè)量結(jié)果卻是放大器在最壞情況下的熱負(fù)載。如果用接近最大輸出功率的連續(xù)正弦波驅(qū)動(dòng)D類放大器，則放大器常常會(huì)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。 常見的音源，包含音樂和語音，其RMS值往往比峰值輸出功率低得多。通常情況下，語音的峰值與RMS功率之比(即波峰因數(shù))為12dB，而音樂的波峰因數(shù)為18dB至20dB。圖56所示為時(shí)域內(nèi)音頻信號(hào)和正弦波的波形圖，給出了采用示波器測(cè)量兩者RMS值的結(jié)果。雖然音頻信號(hào)峰值略高于正弦波，但其RMS值大概只有正弦波的一半。同樣，音頻信號(hào)可能存在突變，但正如測(cè)量結(jié)果所示，其平均值仍遠(yuǎn)低于正弦波。雖然音頻信號(hào)可能具有與正弦波相近的峰值，但在D類放大器表現(xiàn)出來的熱效應(yīng)卻大大低于正弦波。因此，測(cè)量系統(tǒng)的熱性能時(shí)，最好使用實(shí)際音頻信號(hào)而非正弦波作為信號(hào)源。如果只能使用正弦波，則所得到的熱性能要比實(shí)際系統(tǒng)差。圖56正弦波的RMS值高于音頻信號(hào)的RMS值，意味著用正弦波測(cè)試時(shí)，D類放大器的發(fā)熱更大。 圖56正弦波的RMS值2. PCB的散熱注意事項(xiàng)在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TQFN封裝中，裸露的焊盤是IC散熱的主要途徑。對(duì)底部有裸露焊盤的封裝來說，PCB及其敷銅層是D類放大器主要的散熱渠道。如圖57所示，將D類放大器貼裝到常見的PCB，最好根據(jù)以下原則：將裸露焊盤焊接到大面積敷銅塊。盡可能在敷銅塊與臨近的具有等電勢(shì)的D類放大器引腳以及其他元件之間多布一些覆銅。本文的案例中，敷銅層與散熱焊盤的右上方和