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AD1990²，AD1992³，AD1994⁴和AD19965⁵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0.27mW。AD1994采用64引脚LFCSP封装，工作温度范围为–40°C～+85°C。

    有关D类放大器的更多技术信息，包括用Blackfin处理器实现的D类放大器，可参看深入阅读资料部分。

致谢

    感谢ADI公司Art Kalb先生和Rajeev Morajkar先生对本文有益的建议。

    详细产品应用指南请查看：www.analog.com/TechArticle_ClassDAudioAmplifiers

深入阅读资料

    1. International Rectifier, Application Note AN-978, “HV Floating MOS-Gate Driver ICs.”

    2. Nyboe, F., et al, “Time Domain Analysis of Open-Loop Distortion in Class D Amplifier Output Stages,” presented at the AES 27th International Conference, Copenhagen, Denmark, September 2005.

    3. Zhang, L., et al, “Real-Time Power Supply Compensation for Noise-Shaped Class D Amplifier,” Presented at the 117th AES Convention, San Francisco, CA, October 2004.

    4. Nielsen, K., “A Review and Comparison of Pulse-Width Modulation (PWM) Methods for Analog and Digital Input Switching Power Amplifiers,” Presented at the 102nd AES Convention, Munich, Germany, March 1997.

    5. Putzeys, B., “Simple Self-Oscillating Class D Amplifier with Full Output Filter Control,” Presented at the 118th AES Convention, Barcelona, Spain, May 2005.

    6. Gaalaas, E., et al, “Integrated Stereo Delta-Sigma Class D Amplifier,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 12, December 2005, pp. 2388-2397. About the AD199x Modulator.

    7. Morrow, P., et al, “A 20-W Stereo Class D Audio Output Stage in 0.6 mm BCDMOS Technology,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 11, November 2004, pp. 1948-1958. About the AD199x Switching Output Stage.

    8. PWM and Class-D Amplifiers with ADSP-BF535 Blackfin® Processors, Analog Devices Engineer-to-Engineer Note EE-242. ADI website: www.analog.com (Search) EE-242 (Go)

在线参考文献—从2006年6月开始有效

    1. http://www.analog.com/en/content/0,2886,759_5F1075_5F57704,00.html

    2. ADI website: www.analog.com (Search) AD1990 (Go)

    3. ADI website: www.analog.com (Search) AD1992 (Go)

    4. ADI website: www.analog.com (Search) AD1994 (Go)

    5. ADI website: www.analog.com (Search) AD1996 (Go)