音頻功率放大器無(wú)所不在，有音樂(lè )響起的地方就會(huì )有音頻功率放大器的身影，一代代的電子工程師在這個(gè)領(lǐng)域辛勤耕耘撒播智慧。音頻功率放大器是要以一定的音量和功率在揚聲器或耳機上真實(shí)、高效的重現聲音信號。真實(shí)和高效一直是功率放大器領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的源動(dòng)力。音頻頻率范圍約為20Hz～20kHz，要求放大器必須在此頻率范圍內具有良好的頻率響應；根據輸出功率不同，放大器可以被細分為不同的輸出功率規格，比如從幾百mW的耳機放大器到2W左右應用于便攜設備的小功率放大器，再到10W、20W的家庭音響用中功率、大功率放大器。

AB類(lèi)放大器是當今最常用的音頻功率放大器。其不同于最早的A類(lèi)或B類(lèi)放大器的區別在于，AB類(lèi)放大器采用互補輸出級，通過(guò)在輸出端加一定的偏置電流以防止交越失真，從而能夠在提升A類(lèi)放大器效率的基礎上，提供良好的音質(zhì)。但它仍是一種線(xiàn)性放大器，輸出級晶體管工作在線(xiàn)性放大狀態(tài)，為負載提供瞬時(shí)連續輸出電流。輸出晶體管工作在線(xiàn)性狀態(tài)下，源極、漏極之間的壓降很大。輸出晶體管的瞬時(shí)功耗可表示為VDS× IDS，會(huì )有相當多的能量將消耗在輸出晶體管上，轉化為熱量。即使最有效的AB類(lèi)放大器，其效率通常也只在60~70%左右。

D類(lèi)放大器采用一種全新的工作方式，其輸出級晶體管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，輸出端在正電源和負電源之間切換產(chǎn)生一串電壓脈沖。當輸出晶體管不導通時(shí)，輸出級不消耗任何電流。輸出級晶體管導通電阻通常在0.2Ω，因此導通時(shí)VDS很低，晶體管上的功耗（VDS×IDS）也很小。低功耗的開(kāi)關(guān)工作方式使得D類(lèi)放大器在許多應用中優(yōu)勢顯著(zhù)，如可以節省印制電路板上用于散熱的金屬面積，可以省去專(zhuān)用的散熱片，并能夠延長(cháng)便攜式設備的電池使用時(shí)間。

D類(lèi)放大器工作時(shí)，首先必須將輸入音頻信號調制成一串電壓脈沖�，F今有很多方法將輸入音頻信號調制成電壓脈沖，最常用的技術(shù)是脈寬調制技術(shù)(PWM)。從原理上講，PWM調制是通過(guò)將輸入音頻信號與固定載波頻率的三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生一串和載波相同頻率的電壓脈沖。PWM脈沖的占空比正比于該載波周期內音頻信號的幅度，占空比的變化即包含了輸入音頻信號的變化。由于載波頻率通常在音頻信號的10倍以上，從頻譜上分析，PWM調制在音頻范圍內是無(wú)失真的。

通常D類(lèi)放大器輸出端通過(guò)一個(gè)LC濾波器連接至揚聲器上。LC濾波器用于濾除電壓脈沖信號中的高頻部分，重建音頻信號。我們知道，揚聲器本身具有一定的頻響范圍，人耳基本上也不敏感音頻頻率范圍以外的信號，從這個(gè)角度來(lái)講，LC濾波器完全可以從D類(lèi)放大器中刪去。讓我們看一下刪去LC濾波器后會(huì )發(fā)生什么情況。在沒(méi)有任何音頻輸入信號時(shí)，比較器會(huì )產(chǎn)生一串50%占空比的脈沖，該脈沖直接加在揚聲器兩端，在揚聲器內部被濾波后重建至零輸入的直流狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程會(huì )在揚聲器的阻性負載上產(chǎn)生很大的功耗，降低了放大器的效率。

三電平H橋輸出結構完全可以省去LC濾波器。在三電平H橋輸出結構中，輸入音頻信號及其反相信號同時(shí)和三角波比較，產(chǎn)生兩串不同的電壓脈沖加在H橋的兩個(gè)半橋上。兩串電壓脈沖的差分脈沖是實(shí)際加在揚聲器兩端的電壓脈沖。我們同樣看一下沒(méi)有任何音頻輸入信號時(shí)的情況。沒(méi)有輸入信號時(shí)，產(chǎn)生的兩串電壓脈沖同相且均為50%占空比，不會(huì )有任何差分脈沖產(chǎn)生，也就不會(huì )有任何功率損耗。當輸入信號正向變大時(shí)，產(chǎn)生一串正向差分脈沖，揚聲器上會(huì )有正向電流流過(guò)；當輸入信號反向變大時(shí)，則產(chǎn)生一串反向差分脈沖，揚聲器上會(huì )有反向電流流過(guò)。揚聲器上的電流是在輸入信號變化時(shí)根據需要產(chǎn)生的，并不會(huì )有多余的功耗被損失掉。

實(shí)際的電路中，輸出級和驅動(dòng)電路總會(huì )包含種種的不理想因素，導致放大器輸出產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。首先，輸出級晶體管具有非常低的導通電阻，如果上下兩個(gè)輸出級晶體管同時(shí)導通，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)從VDD到VSS的低阻路徑通過(guò)晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。在電壓脈沖由高變低或由低變高時(shí)，極容易發(fā)生輸出級晶體管同時(shí)導通的情況。因此，避免輸出級晶體管同時(shí)導通很重要。為防止該情況發(fā)生，必須在一個(gè)晶體管導通之前先強制將兩個(gè)晶體管都關(guān)斷。兩個(gè)晶體管都關(guān)斷的時(shí)間間隔稱(chēng)為死區時(shí)間。死區時(shí)間會(huì )改變原始PWM脈沖的占空比，并導致放大器輸出產(chǎn)生失真。設計中通常采用最短的死區時(shí)間，既防止輸出晶體管同時(shí)導通，又能將失真盡可能的減小。另外，輸出脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間不匹配，以及輸出級晶體管驅動(dòng)電路參數不匹配，同樣會(huì )改變原始PWM脈沖的占空比，進(jìn)而同樣在放大器輸出上產(chǎn)生失真。

讓我們再看一下播放音樂(lè )時(shí)電源上會(huì )發(fā)生什么情況。電源通過(guò)0.2Ω電阻的輸出級晶體管直接連接至揚聲器。實(shí)際的電源總是存在一定的內阻，在播放音樂(lè )時(shí)，電源上會(huì )產(chǎn)生兩倍于信號頻率的紋波，紋波幅度會(huì )隨電源內阻大小不同而不同。該紋波通過(guò)0.2Ω電阻的輸出級晶體管直接耦合到揚聲器，在輸出信號中產(chǎn)生偶次音頻噪聲。從電路角度來(lái)看，這種音頻噪聲來(lái)自于較差的電源抑制比性能，即通過(guò)電源耦合，電源紋波會(huì )在放大器輸出上產(chǎn)生高階偶次失真。 

 為了降低失真，可以采用類(lèi)似AB類(lèi)放大器的方式，通過(guò)閉環(huán)負反饋來(lái)提高電路性能。從原理上講，閉環(huán)負反饋是通過(guò)在比較器前增加噪聲整形濾波器，將放大器輸入輸出間的誤差噪聲整形，衰減音頻范圍內的失真，提高放大器的線(xiàn)性度。這種誤差既來(lái)自于輸出晶體管及驅動(dòng)電路，也來(lái)自于電源紋波的直接耦合，因此既提高了放大器的線(xiàn)性度，也提高了放大器的電源抑制比。類(lèi)比于線(xiàn)性放大器，噪聲整形濾波器實(shí)際上為環(huán)路在音頻范圍內提供了很大的開(kāi)環(huán)增益。優(yōu)化設計的閉環(huán)D類(lèi)放大器，可以達到PSRR>60dB和THD<0.1%的良好性能。

PT5306/26是華潤矽威科技近期推出的兩款高性能D類(lèi)放大器。PT5306為單通道2.5W D類(lèi)放大器，PT5326是雙通道2.1W D類(lèi)放大器。這兩款產(chǎn)品均采用閉環(huán)負反饋三電平H橋輸出PWM調制結構，輸出端可不使用LC濾波器，直接連接至揚聲器。通過(guò)精心設計內部噪聲整形濾波器，達到了良好的性能。從典型測試數據來(lái)看，性能參數決不亞于國外同類(lèi)型產(chǎn)品。如3.6V電源電壓，8歐姆負載，0.5W輸出功率下，1kHz頻率THD+N在0.1%，500Hz頻率THN+N在0.06%。內部集成4個(gè)0.25Ω導通電阻的輸出晶體管構成H橋輸出級，在5V電源電壓，8歐姆負載，1W輸出功率下，效率可達88%以上。這兩款產(chǎn)品可廣泛應用于各類(lèi)便攜式多媒體設備上，如手機、MP3、MP4、數碼相框和小功率USB便攜音箱上。

PT5306/26 包含完整的 “噼啪聲”抑制方案，以做到安靜的關(guān)斷或喚醒放大器。在保護電路方面，PT5306/26也精心集成了過(guò)熱和過(guò)流保護。盡管D類(lèi)放大器輸出級功耗遠低于線(xiàn)性放大器，但如果放大器長(cháng)時(shí)間提供非常高的功率，仍會(huì )導致器件過(guò)熱。為了防止過(guò)熱危險，當溫度超過(guò)熱關(guān)斷安全閾值時(shí)，輸出級關(guān)斷并保持到器件冷卻下來(lái)。另外，如果兩輸出端間短路，會(huì )產(chǎn)生巨大的電流，如果不采取保護措施，大電流會(huì )損壞輸出級晶體管。因此，需要在輸出晶體管上添加最大電流限制，如果輸出電流超過(guò)安全閾值，輸出級自動(dòng)關(guān)斷。

放大器應用時(shí)，經(jīng)常會(huì )遇到輸入幅度過(guò)大的情況。這種情況會(huì )導致放大器輸出達到限幅狀態(tài)。處于限幅狀態(tài)的閉環(huán)調制器，即使輸入信號低至過(guò)載輸入幅度以下，調制器輸出仍滯后于輸入信號，長(cháng)時(shí)間處于輸出過(guò)載狀態(tài)。這種滯后，在輸入大幅度信號時(shí)，放大器輸出端會(huì )引入額外的非線(xiàn)性。PT5306/26通過(guò)精心設計的調制器防過(guò)載電路，在調制器過(guò)載條件消失后，能快速的跟上輸入信號的變化。

為了避免由于放大器自身噪聲產(chǎn)生的嘶嘶聲，便攜式應用的小功率放大器，通常要求90dB的信噪比。PT5306/26通過(guò)精心的優(yōu)化電路中每一處噪聲源，達到了滿(mǎn)意的信噪比。

PWM調制結構簡(jiǎn)單容易實(shí)現，但是會(huì )產(chǎn)生EMI問(wèn)題。從原理上講，PWM輸出電壓脈沖在載波頻率的倍頻上包含很大的能量，這些頻率分量會(huì )產(chǎn)生大量EMI。如載波頻率500kHz，從PWM輸出脈沖的頻譜上看，30MHz以?xún)容d波諧波頻段上能量很大。使用三電平調制可以減少這些頻率分量的幅度。如要進(jìn)一步的減小這些頻率分量的幅度，可以通過(guò)抖頻技術(shù)實(shí)現。PT5306/26包含抖頻調制技術(shù)，通過(guò)在一定頻率范圍內不斷變化載波頻率，將30MHz內諧波頻率的能量均分到除音頻范圍外的整個(gè)頻帶中。通常，EMI需要考慮對空間的輻射和通過(guò)揚聲器及電源線(xiàn)的傳導。D類(lèi)放大器調制方案決定了傳導和輻射EMI的基線(xiàn)譜。如果需要進(jìn)一步降低放大器的EMI，可以使用一些板級的設計方法。

D類(lèi)放大器應用時(shí)，應當注意電源端旁路儲能電容CS的選取。放大器工作時(shí)，對電源干擾嚴重。如果VDD端的旁路儲能電容選用不合理，放大器會(huì )通過(guò)干擾電源，進(jìn)而導致系統其他部分工作不正常。最佳的方案是CS采用表面貼裝的鉭電解電容。如果成本和PCB布板尺寸限制不允許采用鉭電解電容，可以采用0805或0603封裝的貼片陶瓷電容，且電容值在4.7uF以上，可以有效的降低放大器工作時(shí)對電源的干擾。

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