如何设计出理想的D类数字功放

数字功放仍需模拟功夫 —如何设计出理想的D类放大器？ 在多通道和数字音源时代，采用D类放大器以简化前级线路、提高功放效率从而降低对电源及散热的要求，这已是大势所趋。

但D类功放虽然也被称作数字化功放，但在电路设计上绝不像纯粹的数字电路那么简单，也不是直接采用一两块芯片就可以大功告成的。

以数字手段实现模拟功能，仍然需要考虑许多模拟方面的因素，但考虑的因素和角度与传统的线性功放又有很大差异。

本文除了介绍D类放大器的基本原理和好处之外，还着重讲解了输出级设计、功放管选择、电源、电磁兼容，以及电路板布局方面需要注意的一些问题，这些实用知识有助于设计师减少走弯路的麻烦。

D类放大的好处 凭借诸如极佳的功率效率、较小的热量以及较轻的供电电源等优点，D类放大器正在音频世界掀起风暴，这一点儿也不令人惊奇。

的确，随着技术的成熟以及其所达到越来越好的声音重现效果，看起来继续使用D类放大器向市场渗透是一个颇有把握的赌注，以往在这个市场上只有传统的线性（A类、B类或AB类）功率放大器能够提供令人满意的性能。

环绕声格式的不断进步加速了这种趋势。

由于越来越多的家庭和车内娱乐系统、DVD播放器以及AV接收机需要驱动六个或更多的扬声器，线性放大器及其电源的尺寸增大了，并且产生了更多的热量。

例如，Dolby Digital（杜比数字）格式要求六个独立的输出级，而更新推出的Dolby Digital EX要求更多的8声道。

鉴于此，D类放大技术的优势显得比以往更加突出。

输出级数模转换机制 所有D类系统的共同特点及其超群的功率效率的奥秘就在于输出级（通常是MOSFET）的电源器件总是要么全通要么全关。

这与线性放大器形成对比，线性放大器输出晶体管的导通状态随时间变化。

晶体管消耗的功率是其压降与流过电流之积（P=IV），通常占到线性放大器消耗的总功率的50%或更多。

在D类系统中不是这样。

由于所有输出晶体管要么压降为零（处于“通”状态）要么流过的电流为零（处于“关”状态），理论上根本不会损失能量。

回到现实世界中，安装在数以百万计的微处理器之上的冷却风扇表明即使是纯数字系统也会以发热的形式浪费能量，D类放大器达到的功率效率在85至90%之间。

不过，如何使一个天生只能产生方波的开关器件再现音乐中多种多样的波形呢？某些类型的高频“数字”信号可以通过低通滤波产生平滑的“模拟”输出。

最广泛使用的就是脉宽调制（PWM：pulse width modulation）技术，其中矩形波的占空比与音频信号的振幅成正比。

通过与一个高频锯齿波比较，可以很容易地将模拟输入转换为PWM（参见图1）。

　图1 具有模拟输入的D类系统 但是，从CD和DVD光盘到数字广播和MP3，大多数当今的媒体格式都是数字的，在进行D类放大之前将其转换为模拟信号不可避免地会增加噪声并提高系统复杂性。

在数字域将信号变换为PWM避免了这个问题，并且还消除了比较器和锯齿波发生器，这是两个天生会产生噪声和干扰的模拟元件（参见图2）。

图2 具有数字输入的D类系统利用现有芯片功能 利用这种工作原理，Wolfson Microelectronics最近推出了一款PWM控制器。

WM8608构成了具有多达6.1个输出声道的数字输入D类解决方案的基础。

该方案采用了I2S或类似标准格式的数字输入，将每个声道转换为一个高频PWM信号，驱动由四个功率MOSFET组成的输出级。

然后由低通重建滤波器平均PWM信号，显现由原始数字信号代表的模拟电平。

然后再将该经过滤波的信号传送到扬声器（参见图3）。

图3 以WM8608为特色的系统方框图 为了产生PWM输出，WM8608首先生成一个内部时钟，其256个周期构成一个PWM周期。

根据数字输入，PWM输出在12至244时钟周期之间保持为高，在其它地方则保持为低（最初12个周期总为高，最末12个周期总为低）。

因此在一个PWM周期之内可以产生232 (244-12)个不同的输出电平。

实际上，这就是一个232级数模转换器（DAC），分辨率为7.86 bits (log2 232)。

不过，这还不是一个完整的故事：由于典型的PWM频率为384或352.8kHz，存在8种可以代表各个音频采样的PWM周期。

WM8608发挥了这种过度采样（oversampling）的优势，利用了线性化和噪声整形技术，这些技术最初是为将西格玛-德尔塔DAC的有效分辨率提高到高于16 bits而开发的。

高于100dB（A-权重）的信噪比已经得到验证。

保持内部时钟“清洁”至关重要，因为任何抖动都会引起PWM信号边缘定时的随机变化，这会以噪声的形式出现在模拟输出中。

因此内部时钟由一个芯片内低噪声锁相环（PLL）通过系统主时钟产生。

只要主时钟适当地清洁，这样就会消除掉大多数抖动。

理想情况下，主时钟也应该由WM8608产生。

因为这样可以把振荡器和PLL之间的连接保留在芯片内，就防止了来自开关输出级或其它来源的干扰破坏时钟。

此外，不需要外部PLL滤波元件，降低了对PCB布局的敏感性。

为了使噪声不影响给PLL供电的3.3V模拟电源，在接近电源引脚处插入了一个去耦滤波器。

输出级设计 与模拟放大器非常类似，D类输出级可以每声道与两个晶体管单端连接，或者构成四晶体管桥接类型。

后者通常是首选，因为它提供了无需隔直流电容器的单电源操作（参见图4）。

图4 “H”桥接输出级 而单端连接的输出级要么要求很大的电容器来消除输出的直流偏置，要么需要更多昂贵的分立电源。

桥接配置的另一个优点是将输出振幅(Vpk-pk)从Vs（电源电压）加倍到2VS，使得给定电源电压能够提供的理论最大功率Pmax提高到四倍： 实际上，PWM控制器的占空比范围仅限于5%到95% (12/256及244/256)，将输出振幅限制在2VS到1.8VS，而由于阻性损耗功率输出进一步降低。

可以计算如下： 其中RParasitic包括一个NMOS和一个PMOS器件的“通”电阻以及电源的内电阻、滤波电感器的串联电阻和PCB迹线电阻。

一个使输出功率最大化的简单办法是使用低阻抗扬声器。

例如，对于同样的供电电压，一个4Ω的负载所汲取的功率是一个8 Ω扬声器的两倍。

但是，这会略微降低功率效率，因为与负载自身相比寄生电阻变的更重要。

动态峰值抑制是一种使音频信号无需更强输出级就可以发声更响的技术。

本质上，它在数字域放大信号，动态调节增益来预防削波。

WM8608利用了一个具有频率相关延迟的特别峰值抑制器来避免低频失真。

选择合适的晶体管 为输出级选择适当的元件非常关键，因为其特性对系统性能具有很大的影响。

首先，功率MOSFET必须能够承受其所期望处理的电压和电流。

由于快速开关的PWM信号会在输出滤波电感器上引起反向电动势（EMF），最大的额定漏-源电压应该至少比供电电压高25到50%。

其次，功率MOSFET的“通”电阻导致发热并降低功率效率，因此应该尽可能低。

常用的具有4或8Ω阻抗的扬声器要求RON远低于0.2 Ω，以保证阻性损耗适度地低。

开关延迟是选择输出器件的另一个重要参数。

WM8608产生脉宽范围为122ns到2.7μs的PWM信号。

为了保持信号完整性，输出级（功率MOSFET加上电平转换器）的开关延迟与最小PWM脉宽相比应该很小。

一个较不明显的潜在问题是晶体管之间开关特性的匹配。

例如，如果一个NMOS器件的开启比其对应PMOS的关闭快的多，两种器件的“通”时期就可能在信号边缘出现短时间的重叠。

在两种器件都导通的情况下，供电电源本质上是短路的，导致功率效率降低，热耗散增加，并且可能降低供电电压，这将使音频信号失真。

最后，设计人员还应该关注MOSFET门电容。

大电容会引起RC延迟，放慢晶体管开关速度。

此外，这也增加了功率耗散，并使驱动MOSFET的电平转换器发热。

由于同样的原因，电平转换器的输入电容也应该很小。

某些制造商提供集成输出级，可以直接连接到WM8608输出。

这些集成电路（IC）通常包含四个匹配功率MOSFET，并且还控制PWM信号从3.3V（在WM8608输出）到更高电压的电平转换，以便能够正确地开关功率器件。

此外，他们还提供内置的短路和过载保护。

电源因素 线性与开关电源的对比 在很多方法中，开关电源相对于传统线性电源越来越多的被使用反映了D类放大器的发展。

两者普及性的不断增长都得益于其高功率效率、小尺寸和更低的冷却要求。

因此，使用开关电源帮助设计人员得到了D类技术的全部好处。

不过，在成本是最重要考虑因素的情况下，D类放大器也可以由常规线性电源供电。

开关电源的一个潜在问题是由于快速倒换大电流而引起的电磁干扰（EMI）。

当电源和放大器中的不同开关频率发生交调时，这个问题就会恶化，产生在输出中可能听得到的音调。

作为PWM控制器中的独特产品，WM8608提供了同步外部电源和芯片上PWM调制器的能力，消除了交调。

整流 无论使用何种类型的电源，D类放大器都比线性器件对电源供电质量敏感得多。

因此，尽管D类技术几乎肯定能够降低电源要求达50%或更多，实际的电源设计往往还是宁愿更复杂一些。

理由很简单：如果在电源和输出之间只有开关（功率MOSFET全通或全关），供电线上的任何电源或音带波动都将调制输出信号。

换句话说，所有数字D类放大器都具有一个0dB的电源供电抑制比；它们本质上将电源用做电压参考。

因此，好的负载整流，不仅仅是针对直流而是对于整个音带来说是不可或缺的；不良整流的电源会导致谐波失真。

许多制造商提供浮动整流器，可以附加到现有的电源上，以便在必要时改善负载整流。

在每个放大器输出使用一个独立的整流器具有降低音频声道之间串扰得额外好处。

瞬态行为 供电电源的另一个关键指标是其处理瞬态的能力。

为了使输出级精确地重现PWM信号，电源必须能够非常快地提高或降低其电流，并且不产生阻尼或降低输出电压。

由于输出级的带宽限制在音频范围，线性放大器在这方面的要求更少。

因此，一个在线性系统中表现良好的电源可能不适合D类技术。

存储电容器是确定电源瞬态行为的最关键元件。

首先，其必须保持足够的电荷来防止电流冲击引起供电电压下降，直到整流器发生作用（快速整流器有助于使电容器适当地小）。

其次，由于任何寄生电阻或电感都阻止存储电荷的快速传递，必须使用低ESR（有效串联电阻）电容器。

添加一个与大的常规电解电容器并联的小的低ESR电容器是不够的：因为所有的输出功率都以短的突发形式提供，所以所有电容都必须是低ESR的。

PCB铜迹线上的寄生电阻和电感同样有害，应该通过将存储电容器尽可能靠近输出级放置来尽量降低存储电容。

通过安排不同输出级中的MOSFET在不同时间开关，可以缓解对电源瞬态行为的要求。

对于这个目标，WM8608的内置“PWM输出阶段”功能在各个输出声道的PWM信号之间引入了160ns的延迟。