關于放大器選擇及濾波器的概述

1、D 類放大器的常見問題解答 - 第1部分：關于放大器選擇及濾波器的概述作者：John Guy美國國家半導體公司常見問題解答的第1部分提供了關于D 類放大器的概論，并回答了如何進行選擇放大器以及D 類放大器濾波器的設計問題。這部分的常見問題解答，主要是獲取一些關于D 類放大器的選取、應用以及測量方面的各種知識。常見問題解答主要強調(diào)的是用在0.5W 到2W 范圍內(nèi)的便攜式媒體設備上的D 類放大器，如手機、便攜式DVD 播放器以及便攜式導航系統(tǒng)。當然，這部分信息的絕大多數(shù)還適用于輸出功率從數(shù)毫瓦到數(shù)千瓦的D 類放大器。什么是D 類放大器D 類放大器使用了脈沖寬度調(diào)制電路來保持其輸出晶體管工作在全開或

2、全關狀態(tài)。換句話說，在任何時候，瞬時輸出電壓要么是一個供電電壓，要么是另一個，當然這里忽略了在切換時的短暫過渡期。因此，輸出電流從設備中沒有明顯電壓下降而傳導出來。歐姆定律指出，功率等于電壓乘以電流。D 類放大器將這一等式中的電壓部分保持近似為零，因此盡可能的避免了輸出階段的消耗功率。D 類放大器比其他技術(shù)有著更好的優(yōu)勢，該類放大器的典型效率最高可達95%，平均效率也在80%的水平。D 類放大器可以切換的頻率高于音頻帶。大部分的D 類放大器的切換頻率為300K 赫茲到2M 赫茲。為什么要使用D 類放大器因為D 類放大器非常有效，充分利用了來自電池以及其他功率受限源的有限功率。此外，這種較高效率

3、消除了很多放大器在低于10瓦輸出功率時的散熱要求。D 類放大器并沒有對其他鄰近的元件以及其他拓撲結(jié)構(gòu)造成散熱影響，從而降低了環(huán)境的溫度。另外，D 類放大器的熱效率使其可使用標準的IC 封裝，無需特別考慮散熱問題。何時使用D 類放大器？使用D 類放大器并不適用于所有應用的最重要原因是輸出的切換會造成電磁干擾。很多應用場合中，這種電磁干擾是可以容忍的，因此可認為這些設備滿足了電磁兼容的認證，但設計師不選用D 類放大器還有另外一些考慮。D 類放大器第二個要考慮的是他們的聲音質(zhì)量一般不如AB 類放大器以及其他技術(shù)的好。盡管在紙面上比較這兩種拓撲可能會導致這個結(jié)論，在一些終極的應用中，這往往不再是一個問

4、題，因為揚聲器的失真是系統(tǒng)失真的主要因素。什么是半橋/單端D 類放大器半橋D 類放大器每個通道都有一個輸出。在半橋模式下（單端輸出放大器同理）揚聲器連接著雙供電系統(tǒng)中的單個輸出并接地。在單供電系統(tǒng)中，一個較大的電容用來阻止VCC/2直流電壓通過揚聲器的負載而出現(xiàn)。這個電容一般是幾百微發(fā)或者更多，這取決于系統(tǒng)的低音要求和揚聲器額阻抗。什么是全橋/差分D 類放大器半橋放大器對于那些對稱的雙供電系統(tǒng)是非常好的。所需的直流阻止電容的成本及尺寸使得他們在單供電系統(tǒng)并不適用。全橋D 類放大器每個通道有兩個輸出。全橋放大器又被稱作橋接負載（BTL ）放大器或差分放大器。在全橋模式下，揚聲器連接著兩個輸出端。

5、D 類放大器的輸出偏置很低，因此無需隔直電容。全橋放大器提供了尺寸最小的系統(tǒng)解決方案，也是D 類放大器拓撲中最常見的。是D 類放大器還是“數(shù)字”放大器在很多情況下，D 類放大器不是數(shù)字放大器。這主要有幾個理由。在一個基本的開環(huán)數(shù)字D 類放大器中，放大器的功率供應抑制幾乎為零。實際上，功率供應的幅度是用來音量控制的。純數(shù)字放大器的另一個問題是在輸出延遲、傳輸時間以及過沖的不匹配。這些綜合起來就會產(chǎn)生輸出的非線性現(xiàn)象，從而產(chǎn)生諧波失真。幸運的是，模擬方法可以減輕上面的缺點。D 類放大器的絕大多數(shù)使用了模擬域的全局反饋和糾錯技術(shù)。這使得THD+N范圍為0.01%，超過08dB 的PSRR 是常見的。

6、一些D 類放大器是真正意義上的數(shù)字放大器。專用的數(shù)字電路彌補了輸出限制的非線性。真正意義上的D 類放大器實際上只占D 類放大器芯片的一小部分。 半橋D 類放大器相比于全橋放大器，有哪些優(yōu)勢？半橋D 類放大器使用更小的芯片，來得到同樣數(shù)量級的功率，從而使得相對于真?zhèn)€芯片的成本而言，每瓦的成本最低。半橋設備在單供電系統(tǒng)中需要一個隔直電容，因而會抵消整個成本上的優(yōu)勢，另外還使得整個解決方法的尺寸變大。在有很多大LED 背光供電的應用中，如24V ，使用半橋放大器會得到更好的性價比，對應的驅(qū)動負載為8，每個輸出通道獲取8瓦-10瓦。其他類型的放大器有哪些？普遍采用的音頻放大器有：* A類* B類* A

7、B類* D類* G類* H類通過搜索網(wǎng)頁，讀者可以得到這些類型放大器的描述。一些芯片制造商已經(jīng)添加了“新型”類型來描述他們的D 類的特殊類。有辨析能力的設計師將會看到這些器件的優(yōu)點，而不會被最新的營銷描述所迷惑。 D 類的耳機放大器怎么樣？D 類耳機放大器已經(jīng)應有了很多年。它們的應用主要是圍繞耳機本身的特點。D 類放大器的較低的電磁干擾性能要求工程師控制導線的長度、導線的類型以及揚聲器的負載阻抗。當用戶將任何一個耳機連接到標準的耳機插孔上，所有這些控制都是徒勞的。實際上，耳機線本身是一個很好的天線，很多便攜式設備都用它作為調(diào)頻接收天線。在一個自供電耳機中，這并沒有什么問題。很多藍牙耳機有全橋D

8、 類放大器來提供最佳的電池使用周期。在這樣的系統(tǒng)中，耳機線會很短，負載阻抗也是已知的。D 類放大器可以工作在鋰電池上嗎？用于便攜式設備的D 類放大器的標準工作電壓為3V 到4.2V ，因此對于使用鋰電池或鋰聚合物電池十分理想。在這樣的供電范圍內(nèi)，可用的功率隨著電池電壓變化而變化。例如，當負載為8時，供電電壓為3V 就意味著功率為500mW ，而電壓變?yōu)?.2V 時功率為1.1W 。實際性能依賴于D 類放大器。如何在較大的供電范圍內(nèi)獲取穩(wěn)定的輸出功率？D 類放大器的高效率使其成為升壓供電系統(tǒng)的理想之選。一些負載為8的應用需要輸出功率為1W ，而不考慮電池電壓情況。在這樣的系統(tǒng)中，使用D 類放大器

9、可以滿足這樣性能要求。一些D 類放大器有升壓轉(zhuǎn)換裝置，如LM48510。這就為放大器提供了一個開關模式的電源供應，因此當電壓超過5.5V 時，D 類放大器仍可以工作。這種方法的另一個好處是升壓可以用作LED 閃光燈或照明。 什么是無濾波式D 類放大器無濾波式D 類放大器具有自適應輸出調(diào)制功能，因此塔可用于直接連接揚聲器，中間無需濾波器。無濾波式D 類放大器可用在那些耳機線小于10cm 的應用中。如果是非無濾波式D 類放大器，那么推薦使用一個濾波器。脈寬調(diào)制（PWM ）波形會在揚聲器的音圈中造成較高的I2R 失真，進而減小了電池的壽命，并可能會破壞揚聲器。為什么我的無濾波式D 類放大器中還有濾波

10、器？很多無濾波式D 類放大器，如LM4675，在其演示板上依然包含了一個濾波器。這個濾波器是為了允許用戶通過典型的示波器和音頻分析儀來測試那個其D 類放大器的性能。PWM 波形比聲音信號本身好強的多，因此可以驅(qū)動這些測試儀器的輸入。該濾波器的出現(xiàn)允許使用標準的測試設備來對系統(tǒng)進行評估。我是否需要一個濾波器用在D 類放大器上？在連接線較短的應用中，這個問題的回答是：不需要。一些D 類放大器使用了擴頻時鐘來減小RF 能量出現(xiàn)在輸出上。邊緣速率受限的電路減小了實際的RF 能量滲到輸出端。將擴頻和邊緣速率受限結(jié)合起來，例如LM48310，就可以實現(xiàn)最佳的電磁兼容認證，而無需輸出濾波器。如何為D 類放大

11、器設計濾波器？L = (0.225 * RL / fCC= 0.113 / (RL * fC 用于D 類放大器的低通濾波器可以使用同一公式和（或）同樣的軟件，如揚聲器天橋。在絕大多數(shù)應用中，二階巴特沃斯傳遞函數(shù)會提供最佳組合性能，包括敏感度及成本。對于單端放大器而言，該公式可表示為：L = (0.225 * RL / fCC= 0.113 / (RL * fC 其中R L 為揚聲器的阻抗，f C 為理想的截止頻率，L 和C 分別為該濾波器的電感和電容。例如，當負載阻抗為8和理想截止頻率為30kHz 時，電感值為60H ，電容值為0.47F 。不幸的是，60H 是一個非標準的值，因此我們需要增加

12、該值成為標準的68H 。通過逆推電感方程，可得新的截止頻率為26.5kHz ，因此我們會獲得新的電容值為0.53F ，這可以通過將0.47F 的電容和6800pF 的電容并聯(lián)而近似得到。圖1為該濾波器的原理圖。 圖1：單端D 類放大器的輸出濾波器。L1 = L2 = (0.113 * RL / fCC TOT = 0.225 / (RL * fC 對于全橋D 類放大器，上述公式可修改稱如下所示：L1 = L2 = (0.113 * RL / fCC TOT = 0.225 / (RL * fC C TOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1其中L1和L2是兩個所需的電感，C TOT 是總的負載電容。全橋D 類放大器的負載電容通?？赏ㄟ^下列公式得到C TOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1 其中C S1和C S2分別是接地的并聯(lián)電容，C D1是微分電容。例如，對于負載阻抗為8和理想截止頻率為30kHz 時，電感為30H ，而電容為0.934F 。不幸的是，30H 是非理想的值，因此需要修改該值成標準的33H ，從而需要逆推電感公式得到新的截止頻率為27.4kHz ，進而新的電容為1.03F ?？梢詫⒃O置C D1=0.47F ，C S1=0