改善音質(zhì)與系統(tǒng)性能：D類放大器發(fā)展趨勢(shì)

    傳統(tǒng)的D類放大器在通過功率MOSFET進(jìn)行放大前，需使用一個(gè)控制器將模擬或數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，這個(gè)控制器一般集成在一個(gè)功率后端器件當(dāng)中。這類放大器擁有高效率的優(yōu)點(diǎn)，可采用小型(或不使用)散熱器，并降低電源輸出的功率要求。然而，與傳統(tǒng)的A類和B類放大器相比，這類放大器在成本、性能和電磁干擾(EMI)等方面的存在著固有的系統(tǒng)問題。今后D類放大器將朝著解決這些問題的方向發(fā)展。

    降低輻射EMI

    自從D類放大器誕生以來，放大器軌對(duì)軌交換所帶來的高強(qiáng)度輻射EMI問題就一直困擾著系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員。這將導(dǎo)致設(shè)備無法獲得所需的FCC和CISPR認(rèn)證。在D類調(diào)制器內(nèi)，通過將音頻波形和一個(gè)高頻恒定波形進(jìn)行比較，并在固定載波頻率的基礎(chǔ)上對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行調(diào)制，使數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)。產(chǎn)生的信號(hào)有多種脈寬，但只有一個(gè)固定載波頻率(通常是幾百千赫)。然后由一組高壓功率MOSFET對(duì)這個(gè)PWM信號(hào)進(jìn)行放大。在通過低通濾波器時(shí)，放大后的PWM信號(hào)的載波頻率被消除并代之以原基帶音頻信號(hào)。

    擴(kuò)頻調(diào)制機(jī)制常應(yīng)用在帶寬較寬的PMW信號(hào)交換中，它能夠擴(kuò)頻能量。傳統(tǒng)的PWM調(diào)制器通過改變PWM信號(hào)交換邊界來校正過高的EMI。

    雖然信號(hào)集中于載波頻率，但每條邊界卻是周期到周期重復(fù)的。盡管這種機(jī)制有益于維持常恒定的載波頻率，但由于邊界并不總以恒定的速率交換，因此載波頻率的輻射能量(和相關(guān)結(jié)果)都被大大降低了。

    改善音質(zhì)

    當(dāng)人們將D類放大器和A、B類放大器對(duì)比時(shí)，通常認(rèn)為D類放大器的音質(zhì)較差(高失真率和低動(dòng)態(tài)范圍)。殊不知D類放大器的設(shè)計(jì)人員目前也正在為改善音頻質(zhì)量而努力。新的解決方案中集成了高性能取樣率轉(zhuǎn)換器(SRC)和Δ-Σ處理，能夠降低失真率(THD+N)并將動(dòng)態(tài)范圍提高100多個(gè)dB。

    音頻取樣時(shí)鐘內(nèi)的抖動(dòng)是目前D類放大器的噪聲源之一。這類時(shí)鐘通常是由SOC(如MPEG解碼器、DSP等)產(chǎn)生的。由于調(diào)制器的輸出是通過音頻時(shí)鐘計(jì)時(shí)的，因此哪怕只有少量抖動(dòng)也會(huì)極大地影響音質(zhì)，SRC正是針對(duì)這個(gè)問題的解決方案。SRC運(yùn)用本地穩(wěn)定時(shí)鐘源(如石英振蕩器)對(duì)數(shù)字音頻重計(jì)時(shí)，因此調(diào)制器輸出實(shí)際上獨(dú)立于任意一個(gè)音頻時(shí)鐘上的抖動(dòng)。SRC的另一個(gè)好處在于，無論輸入音頻取樣率如何，它都擁有固定的交換率，這一點(diǎn)區(qū)別于那些采用PLL的調(diào)制器。

    通過消除音頻源改變和輸入時(shí)鐘丟失對(duì)音響造成的負(fù)面影響，SRC還改善了系統(tǒng)的耐用性。

    降低系統(tǒng)成本

    消費(fèi)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在功率級(jí)正在采用半橋放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了器件結(jié)構(gòu)，降低了材料成本，從而解決了D類放大器成本偏高的問題。從名稱上就能看出，半橋的輸出僅為普通全橋輸出的一半，功率MOSFET和外接濾波器件的數(shù)目也減少了1/2。器件數(shù)目的減少不僅有利于降低成本，而且有利于節(jié)省器件的占板空間，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減少每個(gè)功率后端器件的通道數(shù)目。但半橋放大器輸出時(shí)需要一個(gè)隔直流電容器，而且極容易受到交流電源軌的影響而產(chǎn)生噪聲。

    電源抑制反饋

由于半橋是一個(gè)單端點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此它沒有各種全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中常規(guī)的模式抑制。在全橋放大器中，放大器的各類輸出都通過同一個(gè)電源供電，共用電源噪聲將影響所有輸出效果。在半橋中，任何源于電源的交流電波噪聲都會(huì)耦合到輸出中。半橋?qū)﹄娫丛肼暤拿舾行詻Q定了采用電源抑制反饋(PRS)的必要性。

    雖然模擬D類放大器內(nèi)置了若干PRS，但數(shù)字D類放大器卻沒有。目前，數(shù)字PSR應(yīng)用外接模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來監(jiān)測(cè)放大器電源。調(diào)制器數(shù)字部分負(fù)責(zé)反饋和噪聲消除處理。有些廠商只將這種反饋用于補(bǔ)償PWM輸出的電源軌的交流電噪聲，降低了系統(tǒng)的整體性能。而另一些廠商還將它作為對(duì)直流電源級(jí)改變(衰減)的補(bǔ)償手段，這種變化通常是使用低頻率音頻(超重低音喇叭)或電力線波動(dòng)所造成的快速電流浪涌引起的。

    經(jīng)過了以上技術(shù)進(jìn)步，D類放大器的性能表現(xiàn)也可與傳統(tǒng)的直線放大器旗鼓相當(dāng)。數(shù)字信號(hào)處理已克服了聲音處理中歷史性的模擬難題。有了性能更好的數(shù)字放大器解決方案，工程師們將能夠更便捷地將其集成到日益成為主流的數(shù)字系統(tǒng)當(dāng)中。