Class-D功放詳解課件

AudioClassDAmplifierIntroductionIntroductionOfClass-DAmplifier1OUTLINEClass-DAmplifier

的工作原理和結(jié)構(gòu)D類放大器的失真

CompareClass-DAmplifierWithClassABClass-DAmplifier

特徵參數(shù)的介紹和應(yīng)用ClassDAmplifier濾波器及filterlessAmplifierClassDAmplifierCodec&Touchscreencontroller2OUTLINEClass-DAudioAmplifier

的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3這樣模擬音頻信號就變成了一系列寬度受到調(diào)制的等幅脈沖信號。優(yōu)點(diǎn)：1.原來的模擬信號包含在脈沖信號的寬度之中，則放大時(shí)晶體管的非線性引起的幅度失真不會引起信號的失真

。

2.晶體管可以工作在開關(guān)狀態(tài)，在開關(guān)狀態(tài)的晶體管工作效率很高，且可以提供更高的功率。

NOTE：為了不失真地放大最高頻率分量為20KHz的音頻信號，三角波的重復(fù)頻率最好在十倍音頻的最高頻率分量，也就是200KHz以上5

右圖表明了一個(gè)1KHz的正弦波音頻信號，經(jīng)過三角波采樣后的輸出頻譜，其中包含有很多高頻分量。在PWM的輸出后面加上一個(gè)低通濾波器，就可以濾去矩形波的高頻分量。

NOTE：低通濾波器的截止頻率fc大於20KHz，小於開關(guān)頻率。圖2原始信號和PWM輸出信號以及經(jīng)過低通濾波器以后的信號頻譜

6雖然Class-DAmplifier的工作原理都是依靠PWM調(diào)製技術(shù)，但在具體採樣方式和時(shí)序上，各個(gè)廠商之間卻各不相同，以TI&PAM為例：右圖為TI廠商型號：TPA3110D2全橋輸出的波形。黃色曲綫和藍(lán)色曲綫分別為負(fù)載兩端對地的波形，紅色曲綫為黃色曲綫與藍(lán)色曲綫做減法運(yùn)算得到的波形即負(fù)載的輸出波形。圖3TPA3110D2全橋輸出的波形7圖4PAM8610全橋輸出的波形右圖為PAM8610全橋輸出的波形，黃色曲綫和藍(lán)色曲綫分別為負(fù)載兩端對地的波形，紅色曲綫為黃色曲綫與藍(lán)色曲綫做減法運(yùn)算得到的波形即負(fù)載的輸出波形。跟上圖比較可知PAM8610負(fù)載兩端的是半個(gè)正弦波的波形，兩者之間相位相差180度。而TPA3110D2負(fù)載兩端的波形雖然相位也相差180度但卻是兩個(gè)完整的正弦波。說明兩者的採樣方式和時(shí)序並不相同8圖5.D類放大器的結(jié)構(gòu)圖

最簡單的PWM就是一個(gè)比較器，它的一端輸入原始要放大的信號，另一端就輸入一個(gè)高頻三角波。在這個(gè)比較器的輸出就是一個(gè)脈寬被調(diào)制的矩形波。這個(gè)矩形波就直接加到一對互補(bǔ)晶體管進(jìn)行放大

。NOTE：采用負(fù)反饋回路可降低失真，最簡單的方式：直接從輸出端經(jīng)過RF反饋到輸入端。10按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分Class-D類Amplifier可分為半橋和全橋結(jié)構(gòu)。全橋式特點(diǎn)就是信號的正半周時(shí)，左邊上面的和右邊下面的晶體管導(dǎo)通，負(fù)載電流從左流向右；而當(dāng)信號進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，右邊上面和左邊下面晶體管導(dǎo)通，負(fù)載中的電流從右流向左。這樣相當(dāng)于把電源電壓提高了一倍。即可用增加晶體管數(shù)量而不用提高電源電壓的方法就可以提高輸出功率。

圖7.全橋式橋式輸出的D類放大器

12CompareClass-DAmplifierWithClassAB14Audioamplifierbasicconfiguration

Class-ABvs.Class-DClass-ABamplifiersusethesamepush-pullarchitectureasclass-B,butactivedevicesarebiasedonwithasmallquiescentcurrentwhenVin=0.advantage:excellentlinearitydisadvantage:poorefficiencyTriangleOut+Out-PowerGroundPGAComparatorVDDMOSFETsPWMClass-DamplifiersmodulatestheaudiosignalintoahighfrequencyPWMsignalthatdrivesthespeaker(s).

advantage:highefficiencyClass-ABrequiresheatsink!!!15Single-EndedLoad(SE)ConfigurationD/AConverterDigitalInputRCLPF+VDDAnalogInputClass-ABSEPower = VRMS2/RL,VRMS=VPP/2.83 = VPP

2/8*RL = 0.63WRMSPowerVPPVPPVPP = 4.5VmaxVRMS = VPP/2?2 = 1.59VRL = 4WVDD = 5VRLfLOW=1/(2pRLCC)CCAdvantage:Simple,cheaperAdvantage:Simple,cheaper16EfficiencyOfClass-DAmplifier

和AB類放大器相比，D類放大器有很高的效率一般在80%以上。由於D類放大器的輸出級完全工作于開關(guān)狀態(tài)，損耗很小只要考慮在導(dǎo)通時(shí)的損耗。假定負(fù)載電阻為RL，晶體管導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻為Ron，則效率為：

E＝RL/(2Ron+RL)

除外，偏置電流、輸入電容充電、和切換電流都會降低效率，右圖為D類放大器和AB類放大器在不同的輸出功率時(shí)的效率

。圖9.D類放大器和AB類放大器在不同的輸出功率時(shí)的效率

NOTE：圖上為效率是在輸入為正弦波的情況下測出的，而在實(shí)際的音樂條件下，效率就沒有那么高（75%左右），但依然要遠(yuǎn)高于AB類amplifier（是Class-AB類的2.5~4倍）。17

為什么class-D類和AB類amplifier的效率相差那么多，可以通過計(jì)算他們的耗散功率得知如右。其中K為總線電壓和輸出電壓的比值，Psw為開關(guān)損耗，Pcond為傳導(dǎo)損耗，Pgd為柵極驅(qū)動(dòng)損耗，Qg為柵極的電量，Coss為晶體管輸出電容，tf為晶體管開啟時(shí)間。由右圖可知class-DAmplifier可通過Qg，Coss，tf和Rds(on)等參數(shù)的控制優(yōu)化得到最優(yōu)的效果圖10.D類放大器和AB類放大器的耗散功率18圖12TestofClass-DandClassAB20

D類放大器的失真

21THDandDeadtimeClass-D放大器根據(jù)輸出波形隨輸入時(shí)序波形變化分為3個(gè)區(qū)間：1.輸入電流從DAmplifier流向負(fù)載。當(dāng)高端器件斷開，低端器件開通之前輸出節(jié)點(diǎn)由負(fù)VBUS驅(qū)動(dòng)，與低端開通時(shí)序無關(guān)，因此輸出波形只隨高端輸入時(shí)序的變化而變化，導(dǎo)致了PWM變短；

2.負(fù)周期工作區(qū)狀況同上；

3.這一區(qū)間處于上述兩區(qū)間之間，輸入時(shí)序波形與死區(qū)時(shí)間無關(guān)，輸出僅跟隨每個(gè)輸入的關(guān)斷沿的變化而變化.

NOTE：死區(qū)時(shí)間會嚴(yán)重影響失真，時(shí)長幾十納秒就可能導(dǎo)致THD達(dá)到1%以上。圖13THDandDeadtime23PowerSupplyPumping另一個(gè)導(dǎo)致THD增大的原因是總線充電，可以在半橋拓?fù)湎蜇?fù)載提供低頻的輸出信號時(shí)觀察到如右。這主要是由于D類Amplifier的增益與Vbus直接成比例關(guān)系，Vbus波動(dòng)造成輸出失真。由于D類Amplifier的開關(guān)時(shí)雙向的，當(dāng)大量LPF電感儲存的能量回流至電源時(shí)，電源無法吸收從而導(dǎo)致Vbus上升產(chǎn)生波動(dòng)。NOTE：全橋式拓?fù)錄]有這個(gè)問題因?yàn)殚_關(guān)橋臂回饋的能量會被另一條橋臂吸收。圖14總線通電造成的失真24Class-DAmplifier

特徵參數(shù)的介紹和應(yīng)用26GeneralAudioAmplifierParameterBigThreeOutputPower(ex.Rout=8ohm,THDN=1%)Bandwidth(ex.GainFlatness,20~20kHz)SNR:(ex.1kHz,1VrmsFS)Others:THD+N(ex.0.01%,80dBFs,AweightingFilter)POPEfficiencyCross-TalkForStereoPSRR27MaximumOutputPower

28Audioamplifierparameter:THDN30

頻率響應(yīng)是指音頻功放輸入端口輸入的正弦信號電壓及音量控制恒定時(shí)，音頻功放輸出的正弦信號電壓隨輸入信號頻率變化的函數(shù)關(guān)系。只要采樣的三角波重復(fù)頻率比音頻信號的最高頻率分量的頻率高10倍以上D類放大器就可以得到很好的頻率響應(yīng)。。所以用250KHz的三角波的D類放大器很容易得到超過20kHz的頻率響應(yīng)。D類放大器的頻率響應(yīng)

圖15.典型的D類放大器頻響（上面為增益下面為相位）31

電源紋波抑制比（PSSR）就是指電源的變化反映到輸出的變化之比，在線性放大器中，放大器的增益幾乎完全和電源電壓的變化無關(guān)。但在D類放大器中情況就完全不同。放大器的輸出直接和電源電壓有關(guān)。因?yàn)殡娫吹募y波可以直接經(jīng)過導(dǎo)通的晶體管加到輸出負(fù)載上去。所以這時(shí)候它的PSSR相當(dāng)于0dB。這是完全不能接受的。為了提高放大器的PSSR，通?？梢圆捎秘?fù)反饋的方法，一般可以把PSSR提高到－70dB以上。D類放大器的電源抑制比（PSSR）

圖16.

PSRR定義和測量

32●considerationforInputcircuit:

----keepbalancebetweenthedifferentialpairinputs----meettherequiredfrequencyresponseApplicationOfClass-DAmplifier33TopTraceVDDGNDBottomTraceheatHeattransferrouteICPowerPadandambientairgroundplaneattoplayerandsolidViasgroundplaneatpcbbottomambientair●heattransfer/PCBlayoutItisagoodpracticetocopytheEVMPCBlayoutasmuchaspossible.34ClassDAmplifier

濾波器及filterlessAmplifier35喇叭阻抗會隨著信號頻率的升高而升高，這是由喇叭自身電感和分布電容產(chǎn)生自諧振

引起的。這會導(dǎo)致效率降低，射頻輻射嚴(yán)重，為解決這些一般都會在輸出加一個(gè)濾波器。高頻時(shí)，負(fù)載呈現(xiàn)電容性，串聯(lián)一個(gè)電感就可以改善。這個(gè)串聯(lián)電感可使高頻分量不流向負(fù)載，從而減少了輻射，也提高了效率。只用一個(gè)串聯(lián)電感并不能有效地解決高頻輻射的問題。為了減小高頻輻射還必須再用一個(gè)并聯(lián)電容，以便直接把射頻干擾信號濾去。這時(shí)候它就變成了一個(gè)二階低通濾波器

如右.圖17.二階低通濾波器

36無濾波器D類放大器

有沒有可能去掉采樣信號后的低通濾波器呢？因?yàn)槔纫羧哂泻艽蟮碾姼?，可以直接把PWM的信號加到喇叭，由其音圈電感去濾掉高頻脈沖。但是如果直接把PWM信號加到喇叭，會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)電流會增加很多。為了解決這一問題美國德州儀器公司在2001年提出了無濾波器的D類放大器的專利。它采用兩個(gè)相位差180度的三角波來對信號采樣，分別供給橋式的兩個(gè)輸出級.這樣，在沒有信號的時(shí)候，負(fù)載兩端的脈沖波是同相的，沒有電流流過負(fù)載，也就不可能有過大的靜態(tài)電流。圖18.

TI的無濾波器調(diào)制方案

37Filter-lessClassDAmplifierTopology38Filter-lessWaveform39EmulationResult(I)40EmulationResult(II)41ClassDAmplifierCodec&Touchscreencontroller

42圖19BasicBlockDiagramHeadphoneSpeakerPLLAudioBusControlBusInputsADCDACVolumeControlEqualizerAudioEffects3DMixerDifferential

or

Single-EndedDifferential

or

Single-EndedInputsLDOCodec=ADC+DAC+Effectsprocess+systemclockgenerator+control43ADC-DACArchitecture

Theprimaryarchitectureusedinaudioapplication

is

type

ADCSingle-endDifferentialconverterN-orderDelta-sigmamodulatorAnti-aliasfilter

serialdatainterfaceDigitaloutput

DecimationFilterDACVolumeeffectInterface

ModulatorN-orderX8fsDigitalFilter

R-C

LPFDigitalinputVoutLVoutR

DACAnaloginput44AudioMasterClockGenerationHighlyflexibleclockgenerationschemecanusePLLorbypassitentirelyifnotneeded.

DesignallowsPLLtobeusedforentirelyseparatepurposeifnotneededforaudio–PLLcanuseGPIO2asinput,andoutputclockcanberoutedbackoff-chipforexternalusesthroughGPIO1.(AIC33only)

AlsoallowsBCLKtobeusedasclockinput,soMCLKnotalwaysnecessary.45IntegratedinputAGCfunction:KeepconstantoutputsignalamplitudewhenrecordingspeechsignalsKeepoutputconstant46

Digitalaudioprocessing:GiveyouthedesiredgoodsoundeffectAlsocanbedoneinADCpath47FlexibleInputsignalsMUX/MIXfunction:Giveyoutheutmostselection48Outputsignalmultiplepaths:Anyinputsignalcanro