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[音频] 应用便携式设备中的D类音频放大器介绍

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音频应用新手发布

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发表于 2019-3-28 08:42:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
应用便携式设备中的D类音频放大器介绍
% e# U' v8 I8 B, C$ ~  p虽然许多MCU的功能和复杂性可以支持基本的音频处理功能,并允许它们执行音频记录/回放等任务,管理MP3数字音乐流,并提供基本的警报声,有时设计需要升级到更强大的音频性能,这可以通过数字音频架构实现采用D类放大器。1 `# [- h3 s% ?' R3 x
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当固态音频放大器在60年代后期开始进入消费者的高保真音响市场时,音响发烧友立即开始抱怨他们听起来不像电子管放大器那么好。我当时是一名音频技师,他知道最好的固态放大器的总谐波失真(THD)低于最好的电子管放大器。我们当时并不知道瞬态互调失真(TIM),这在早期的固态放大器中确实更糟。这个问题可以说已经被淘汰了,但不要说是管爱好者。
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那些早期的固态立体声系统具有AB类输出级。可以通过简单的LC滤波器将一个脉冲宽度调制(PWM)信号推入扬声器的D类能真正为您提供高质量的音频吗?令人惊讶的是,答案是肯定的。
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具有类别的放大器) ]# o6 c6 i* L2 O* }
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不同类别的放大器反映了效率,功率和失真之间的不同折衷:* z; z0 f8 }* B# ^5 N6 x$ _

5 A& R' H% N2 O% W/ Z- n( J. aA类放大器(图1)在整个输入周期内导通,使其具有高线性和极低效率即使没有信号,它们也能吸收电流。通过电感耦合,A类放大器可以达到50%的效率;通过电容耦合,它们只能达到25%。 A类放大器使用单个器件,因此交叉失真没有问题。运算放大器通常是A类放大器,大多数商用音频放大器的增益级也是如此。
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图1:A类放大器。; J* s! u; a7 d  T% B# a

* c1 b7 u+ p- k! @! C" a1 MB类放大器仅放大输入波形的一半,因此它们通常在推挽式布局中实现为互补对(图2)。由于输出设备很少完全匹配,因此会产生交叉失真。通过偏置晶体管可以减少交叉失真,使得非导通晶体管永远不会完全关闭,称为AB类操作,牺牲了一些效率以获得更大的线性度。 AB类放大器可实现60%至65%的效率和良好的线性度。安森美半导体的NCS2211可以以0.2%THD + N为8Ω扬声器提供1 W输出。9 W) j+ G9 |' G3 q3 F% [% [! ~
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% q9 E/ z2 d4 C, b+ g2 h! \  l图2:推挽B类放大器。
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C类放大器的效率可达90%,但非线性,因为它们在不到一半的信号周期内导通(图3)。 RF放大器通常以C类运行,但几乎总是馈送调谐电路,以谐振频率平滑波形。但是,通常需要进一步滤波以消除谐波和其他杂散辐射。) O0 y, A8 K7 H* I. _

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: `* z  b. p8 u1 A图3:C类放大器。) J6 S7 T, O- \9 t5 q
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D类放大器由开关功率放大器架构组成,利用脉冲宽度调制(PWM)产生输出波形;在音频应用中,它们的输出然后通过LC滤波器馈送,以在被馈送到扬声器或其他输出设备之前将其转换回模拟形式。图4显示了一个简单的D类信号图。% k; C: K7 p# b; Y
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图4:D类功率放大器信号图(由Silicon Labs提供)。9 E+ ^9 P5 w3 t  r& z( R
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D类输出级通常由一对廉价的MOSFET组成,这些MOSFET在任何给定时间都可以完全开启或完全关闭。由于MOSFET在接通时具有非常低的内部电阻,因此输出级非常高效,使得高功率放大器比同等的AB类设计更加紧凑。 D类放大器在高功率水平下可实现超过90%的效率,可实现比同类AB类设计所需的更小的散热片,电源和PCB空间,这在便携式应用中尤为重要。这是个好消息。坏消息,或者至少是抬头,低失真模拟D类放大器设计起来并不简单。幸运的是,有许多解决该问题的现成解决方案,以及一些非常适合与传统的D类功率放大器配合使用的MCU。5 J3 I: `) I* ~2 l" b$ v

+ j; Q1 z" g) h( R* @: Q7 S0 @D-tails中的魔鬼
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与直接模拟A类/AB类信号链相比,使用D类输出级的任何音频设备必须首先将输入信号数字化,因此产生多个来源音频被放大之前的失真:7 f9 I# E! {  K  L' I9 o
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采样率:数字信号不能包含高于采样(奈奎斯特)速率一半的频率,否则会出现混叠,导致信息丢失。 CD质量声音以44.1 kHz采样,可以再现高达22 kHz的声音。
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PWM切换速率:这应该比最高输入频率快至少10倍,以便精确地重建输入信号。
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PWM分辨率控制:需要高分辨率控制来减少输出量化失真。* P! @( V+ `0 h9 C

7 `0 l+ Z& r8 [" d/ m在D类放大器的输出端使用简单的LC滤波器可能看起来像DAC的原始替代品,其次是模拟重建滤波器,它是;但是当你处理10到100 W +范围内的放大器时,没有任何明显的选择。话虽如此,使用一些简单的电路可以获得非常令人满意的结果。2 C$ o5 o2 X  ^- |; [; }/ S
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Silicon Labs D类工具箱套件是一款基于USB的演示和评估套件,允许开发人员使用SiM3U164(一种基于ARM Cortex-M3的MCU,两个12位)为32位嵌入式设计添加数字D类音频功能。位ADC,两个10位DAC,高达80 MHz的精细频率分辨率和扩频模式,可降低EMI。 D类放大器级的输出网络(图5)由铁氧体磁珠,LC滤波器和接地电容组成。铁氧体磁珠消散了EMI噪声作为热量,LC元件滤除了PWM噪声,接地电容和扬声器(另一个LC网络)的组合提供了额外的滤波。元件参数随信号量,带宽,噪声谐波以及低音量和高音量的嘶嘶声而变化。
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+ t8 T8 f: Z3 C( s图5:D类工具栏输出网络(由Silicon Labs提供)。: M* M3 r- C  d( l$ P
! e+ z0 L) G2 `+ Y$ h- U
Silicon Labs还提供完整的D类参考设计,一种基于Si8241 D类音频驱动器的双通道,双态,半桥D类音频放大器(图6)。 Si8241包括两个高/低侧驱动器和一个集成的死区时间发生器,可提供精确控制以实现最佳THD。使用与上述相同的基本输出电路,该立体声放大器可将每通道120 W的功率提供至8Ω,同时在60 W和》 95 dB SNR时实现《0.02%的THD。这与我们之前讨论的AB类放大器一样好或更好。
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图6:基于Si824x的D类音频驱动器框图(由Silicon Labs提供)。, N* ^8 a7 Z2 y' T0 K" S: V$ s9 t

' z# R2 b! u7 B/ N: D其他D类选项7 c/ R' I& w% n& g6 c
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恩智浦TFA9881 D类音频放大器面向便携式应用。 TFA9881接收过采样脉冲密度调制(PDM)比特流,采用二阶闭环架构,提供高质量音频以及高电源电压纹波抑制。音频输出的额定功率为2.7 W,4Ω/20μH负载,THD为1%。
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德州仪器公司还提供其TPA2025D1 D类音频功率放大器。 TPA2025D1包括电池跟踪AGC技术和集成的G类升压转换器,可在低输出功率下提高效率。它驱动高达1.9 W的8Ω扬声器,THD + N为1%。  |4 M7 M: L% [6 Z( f) z
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需要环绕声吗? TI的LM48901四类D类空间阵列为便携式多媒体设备创建了增强的声场。 LM48901的18位立体声差分输入ADC处理模拟立体声信号;其D类输出级利用TI的边沿速率控制(ERC)架构,在保持音频质量和效率的同时减少射频辐射。 LM48901可为4Ω负载提供2.8 W/通道连续输出功率,THD + N 《10%。
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& z: n  Z& E( S4 mCirrus Logic采用灵活的CS35L01高效混合D类音频放大器。标准D类(SD)模式提供全音频带宽和高音频性能;混合D类(HD)模式通过集成的H类控制器大大降低了空闲功耗(G类和H类使用“轨道切换”来降低功耗并提高效率,这些放大器提供多个不同电压的电源轨并切换它们之间随着信号输出接近每个电平,从而减少输出晶体管处的浪费功率)。降低频率等级D(FSD)模式可降低输出开关频率,从而产生较低的电磁干扰(EMI);和降低频率混合D类(FHD)模式可以产生较低的HD模式空闲功耗和FSD模式降低的EMI优势。在SD和HD模式下,芯片的额定功率为1 W,THD + N为0.02%。 Cirrus Logic还为CS35L01提供参考设计。7 P& W1 \# C/ N3 B" r/ U8 q
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