為什么靜態(tài)電流在D類放大器中如此重要？

本文你將了解到：

使用 D 類放大器的好處。

選擇 D 類放大器時(shí)要注意什么。

在 THD+N 和靜態(tài)電流之間進(jìn)行權(quán)衡。

回到過去(1970 年代)， Phase Linear 700這樣的音頻放大器是用分立功率晶體管元件設(shè)計(jì)的。巨大的音頻功率晶體管，如2N3055和其他當(dāng)時(shí)被配置為驅(qū)動(dòng)大型音頻功率輸出，驅(qū)動(dòng)大型音頻揚(yáng)聲器。搖滾樂隊(duì)曾經(jīng)把干冰放在這些具有傳奇色彩的350瓦/通道的放大器堆上，為它們降溫。

快進(jìn)到2022年，我們發(fā)現(xiàn)音頻設(shè)計(jì)工程師喜歡D類放大器的功率效率。D類放大器的性能優(yōu)于任何A類、B類或AB類線性放大器架構(gòu)。對(duì)于后者的放大器，由于偏置元件和輸出晶體管的線性操作，將出現(xiàn)顯著的功率損耗。

D 類放大器在音頻電路中用作將電流引導(dǎo)至音頻負(fù)載的開關(guān)。因此，輸出級(jí)僅損失少量功率。

D 類放大器中以熱量形式耗散的功率損耗是由輸出晶體管的靜態(tài)電流開銷、開關(guān)損耗和導(dǎo)通電阻引起的。這些放大器可以使用更小的散熱器——甚至沒有散熱器。因此，D 類放大器非常適合高功率、緊湊的設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)的早期，與線性放大器相比，基于經(jīng)典脈寬調(diào)制(PWM)的D類放大器的功率效率優(yōu)勢(shì)受到了外部濾波器元件成本、EMI/EMC兼容困難和總諧波失真加噪聲(THD+N)性能差的阻礙?，F(xiàn)在，最新一代的D類放大器采用先進(jìn)的調(diào)制和反饋方法來減輕這些潛在的缺點(diǎn)。

為設(shè)計(jì)選擇 D 類放大器

當(dāng)設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)備設(shè)計(jì)D類放大器時(shí)，他們可能應(yīng)該從選擇其整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終產(chǎn)品特性開始。

一些關(guān)鍵特性可能是響度或輸出功率以及揚(yáng)聲器/音圈效率。有一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來指定放大器的功率水平：輸出功率在1%或10% THD+N。

接下來，設(shè)計(jì)人員需要選擇所選功率級(jí)別的通道數(shù)。音頻行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)功率電平通常是1% 或 10% THD+N 的輸出功率電平。指定功率級(jí)別時(shí)，請(qǐng)務(wù)必注意它是峰值功率還是連續(xù)功率。最有可能的設(shè)計(jì)是立體聲放大器配置，因此需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)通道。

D 類放大器 Iq

靜態(tài)電流 (Iq) 的典型定義是集成電路 (IC) 在空載和非開關(guān)啟用條件下消耗的電流。Iq的另一個(gè)定義是 IC 在許多超低功耗狀態(tài)下消耗的輸入電流。

在電池供電的應(yīng)用中，可能會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間處于待機(jī)或睡眠模式，靜態(tài)電流可將電池的運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)數(shù)年。一個(gè)很好的例子是像60nA TPS62840 這樣的超低 Iq 降壓轉(zhuǎn)換器，用于為智能電表應(yīng)用等始終開啟的應(yīng)用供電。在這種情況下，它可以實(shí)現(xiàn)10 年的電池運(yùn)行時(shí)間。

通常，D類放大器將被設(shè)計(jì)成電池供電的應(yīng)用。在當(dāng)今的電子世界中，智能手表或家用智能鎖就是一個(gè)例子。這樣的設(shè)計(jì)需要:

通過超低泄漏工藝技術(shù)和創(chuàng)造性的新控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低功率、永遠(yuǎn)在線的長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。

快速響應(yīng)時(shí)間，如快速喚醒比較器和零Iq反饋控制。這將在不影響低功耗的情況下實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

減少外形尺寸，如減少電阻和電容的面積技術(shù)。這對(duì)于適當(dāng)?shù)丶傻娇臻g受限的應(yīng)用中，同時(shí)不影響靜態(tài)功率是至關(guān)重要的。

權(quán)衡：THD+N 與 Iq

在許多設(shè)計(jì)中，D 類音頻放大器通常采用使用環(huán)路濾波器、PWM和開關(guān)功率級(jí)的閉環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這將有助于抑制功率級(jí)的線性度以改善 THD+N。

如果設(shè)計(jì)人員選擇不使用更高階環(huán)路濾波器或更高開關(guān)頻率(f SW )，則反饋環(huán)路引入的 PWM 殘余混疊失真將限制最小THD+N。在這里，我們現(xiàn)在在 Iq 和 THD+N 之間進(jìn)行權(quán)衡(見圖)。

圖中顯示的是一個(gè)D類放大器的原理圖和波形，有無PWM-殘余混疊降低和建議的頻率均衡。

該圖顯示了建議的PWM 殘留混疊減少。該方法采用前饋路徑(藍(lán)色)和頻率均衡塊(紅色Z EQ)設(shè)計(jì)，使 D 類放大器能夠降低其THD+N 和 Iq。圖的左下角繪制了未采用所提出技術(shù)的傳統(tǒng)二階閉環(huán)D 類放大器的波形。

為了消除反饋電流(i FB)中的高頻分量，由調(diào)制Vin的PWM產(chǎn)生前饋電流(i FF)，并將其添加到環(huán)路濾波器中(圖中底部中心圖像)。此外，啟用了使用ZEQ的ppm剩余混疊減少功能(圖中右下角)。

iFF和iFB之間的PWM轉(zhuǎn)換時(shí)序?qū)R，以消除i C1中的窄脈沖。這個(gè)動(dòng)作進(jìn)一步抑制了混疊失真。此外，i C1中窄脈沖的缺失降低了OP1(圖中最后一級(jí))的必要偏置電流，從而節(jié)省Iq。

總結(jié)

70 年代為我們帶來了出色的音頻電子解決方案。不幸的是，這些設(shè)備的尺寸和功耗通常都很大且笨重。盡管如此，他們?nèi)匀豢梢援a(chǎn)生高質(zhì)量的音頻。

在當(dāng)今的電子世界中，靜態(tài)電流主導(dǎo)著音頻應(yīng)用。音頻設(shè)備用戶想要更小、更輕，但最終性能還保持很好的音頻設(shè)備。引入D 類放大器，這是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵因素，尤其是在便攜式和電池供電設(shè)計(jì)中。

本文介紹了如何選擇 D 類放大器，以及一些規(guī)格權(quán)衡決定。最后，我們發(fā)現(xiàn)可以通過緊湊、輕便的設(shè)計(jì)獲得出色的音頻性能，并且在電池供電的情況下比以往更持久。

審核編輯：湯梓紅