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D类音频放大器概念及其设计原理和方法

2011-11-21 11:24
月城清浅
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  系统成本

 

  在使用D类放大器的音频系统中,有哪些重要因素影响其总体成本? 我们怎样才能将成本减至最低?

  D类放大器的有源器件是开关输出级和调制器。构成该电路的成本大致与模拟线性放大器相同。真正需要考虑的折衷是系统的其它元器件。

  D类放大器的低功耗节省了散热装置的成本(以及PCB面积),例如,散热片或风扇。D类集成电路放大器可采用比模拟线性放大器尺寸小和成本低的封装。当驱动数字音频源时,模拟线性放大器需要数模转换器(DAC)将音频信号转换为模拟信号。对于处理模拟输入的D类放大器也需如此转换,但对于数字输入的D类放大器有效地集成了DAC功能。

  另一方面,D类放大器的主要成本缺点是LC滤波器。LC滤波器的元器件,尤其是电感器,占用PCB面积并且增加成本。在大功率放大器中,D类放大器的总体系统成本仍具有竞争力,因为在散热装置节省的大量成本可以抵消LC滤波器的成本。但是在低成本、低功耗应用中,电感器的成本很高。在极个别情况下,例如,用于蜂窝电话的低成本放大器,放大器IC的成本可能比LC滤波器的总成本还要低。即使是忽略成本方面的考虑,LC滤波器占用的PCB面积也是小型应用中的一个问题。

  为了满足这些考虑,有时会完全取消LC滤波器,以采用无滤波放大器设计。这样可节省成本和PCB面积,虽然失去了低通滤波器的好处。如果没有滤波器,EMI和高频功耗的增加将会不可接受,除非扬声器采用电感式并且非常靠近放大器,电流环路面积最小,而且功率水平保持很低。尽管这种设计在便携式应用中经常采用,例如,蜂窝电话,但不适合大功率系统,例如,家庭音响。

  另一种方法是将每个音频通道所需要的LC滤波器元器件数减至最少。这可以通过使用单端半桥输出级实现,它需要的电感器和电容器数量是差分全桥电路的一半。但如果半桥输出级需要双极性电源,那么与产生负电源相关的成本可能就会过高,除非负电源已经有一些其它目的,或放大器有足够多的音频通道,以分摊负电源成本。另外,半桥也可从单电源供电,但这样会降低输出功率并且经常需要使用一个大的隔直流电容器。

 

  ADI公司D类放大器

 

  刚才讨论的所有设计问题可以归结到一个要求相当严格的项目。为了节省设计工程师的时间,ADI公司提供各种D类放大器IC1,它们含有可编程增益放大器、调制器和功率输出级。为了简化评估,ADI公司为每种类型的放大器提供了演示板。这些演示板的PCB布线和材料清单可以作为切实可行的参考设计,从而帮助客户迅速设计经过验证、经济有效的音频系统而无须为解决D类放大器主要设计问题做“重复性的工作”。

  例如,可以考虑使用AD1990,AD1992,AD1994和AD1996双放大器IC系列产品,它们适合要求两个通道每通道输出达到5,10,25和40 W的中等功率的立体声或单声道应用。下面是这些IC的一些特性:

  AD1994 D类音频功率放大器包含两个可编程增益放大器、两个Σ-Δ调制器和两个功率输出级以在家庭影院、汽车和PC音频应用中驱动全H桥连接的负载。它产生的开关波形可驱动两个25 W立体声扬声器,或一个50 W单声道扬声器,具有90%的效率。其单端输入施加到一个增益可设置为0,6,12和18 dB的可编程增益放大器(PGA),以处理低电平信号。

  AD1994具有集成保护以防止输出级受到过热、过流和冲击电流的危害。由于其特殊的时序控制、软启动和DC失调校准,与静音相关的咔嗒声很微小。其主要性能指标包括0.001% THD,105 dB动态范围,大于60 dB的PSR,以及采用开关输出级连续时间反馈和优化的输出级栅极驱动器。其1 bit Σ-Δ调制器尤其为D类应用增强以达到500 kHz平均数据频率,对于90%调制具有高环路增益,以及全调制稳定性。独立调制器方式允许驱动外部的大输出功率场效应管(FET)。

  AD1994对于PGA、调制器和数字逻辑采用5 V电源,对于开关输出级采用8 V~20 V高电压电源。相关的参考设计满足FCC B类EMI标准要求。当以5 V和12 V电源驱动6Ω负载时,其静态功耗为487 mW,在2×1 W输出功率条件下功耗为710 mW,在待机方式下功耗为0.27 mW。AD1994采用64引脚LFCSP封装,工作温度范围为–40℃~+85℃。

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