多種技術(shù)破解電磁干擾難題 D類放大器市場前景看好

　　主持人 馮曉偉

　　特邀嘉賓

　　ADI公司便攜式音頻產(chǎn)品部市場經(jīng)理 張揚(yáng)

　　華潤矽威科技（上海）有限公司系統(tǒng)應(yīng)用部經(jīng)理　王新成

　　美國國家半導(dǎo)體亞太區(qū)市場經(jīng)理 郭俊杰

　　美信集成產(chǎn)品公司中國區(qū)市場傳播及應(yīng)用支持經(jīng)理　魏智

　　恩智浦半導(dǎo)體多重市場產(chǎn)品部大中華區(qū)高級(jí)市場經(jīng)理　張秋明

　　安森美半導(dǎo)體數(shù)字及消費(fèi)產(chǎn)品部低壓電源管理產(chǎn)品市場經(jīng)理　林欣欣

　　羅姆微電子集團(tuán)模擬技術(shù)專家

　　德州儀器中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理　張洪為

　　編者按：隨著便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品日漸滲入生活的各個(gè)領(lǐng)域，模擬器件家族的重要成員—— D類放大器的應(yīng)用日益廣泛。與其他類別的放大器相比，D類放大器的優(yōu)勢(shì)何在，發(fā)展前景如何？就技術(shù)而言，D類放大器應(yīng)用了哪些關(guān)鍵技術(shù)，有哪些技術(shù)瓶頸尚待突破？模擬器件主流廠商在D類放大器領(lǐng)域各自的優(yōu)勢(shì)何在，其技術(shù)有何特色？針對(duì)這些問題，《中國電子報(bào)》邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)知名企業(yè)人士進(jìn)行了探討。

　　效率優(yōu)勢(shì)明顯

　　●功耗低符合節(jié)能環(huán)保要求

　　●散熱少縮減電路板尺寸

　　張洪為　　A類放大器使用一只晶體管作為直流電流源，能夠提供揚(yáng)聲器需要的最大音頻電流，其輸出級(jí)可以提供優(yōu)良的音質(zhì)，但功耗非常大，因?yàn)橥ǔＳ泻艽蟮闹绷髌秒娏髁鬟^輸出級(jí)晶體管，而沒有提供給揚(yáng)聲器。

　　B類放大器沒有直流偏置電流，所以功耗大大減少。其輸出晶體管是以推拉方式獨(dú)立控制，從而允許高端晶體管為揚(yáng)聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負(fù)電流。由于只有信號(hào)電流流過晶體管，因而減少了輸出級(jí)功耗。但是B類放大器電路的音質(zhì)較差，因?yàn)楫?dāng)輸出電流過零點(diǎn)和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時(shí)會(huì)造成線性誤差。

　　AB類放大器是A類放大器和B 類放大器的折中，它也使用直流偏置電流，但它遠(yuǎn)小于單純的A類放大器。小的直流偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質(zhì)，其功耗介于A類放大器和 B類放大器之間，也需要一些控制電路以使其提供或吸收大的輸出電流。遺憾的是，即使是精心設(shè)計(jì)AB類放大器也有很大的功耗。

　　D類放大器由于具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其功耗遠(yuǎn)小于上述任何一類放大器。D類放大器的輸出級(jí)在正電源和負(fù)電源之間切換從而產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因?yàn)楫?dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時(shí)具有零電流，并且在導(dǎo)通時(shí)具有很低的電壓，因而功耗較低。

　　魏 智大多數(shù)音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師都非常清楚，D類放大器與線性音頻放大器相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。對(duì)于線性放大器來說，偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會(huì)損耗大量功率。因?yàn)镈類放大器的晶體管只是作為開關(guān)使用的，用來控制流過負(fù)載的電流方向，所以輸出級(jí)的功耗極低。D類放大器的功耗主要來自輸出晶體管導(dǎo)通阻抗、開關(guān)損耗和靜態(tài)電流開銷，放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類放大器對(duì)散熱器的要求大為降低，甚至可省掉散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應(yīng)用。

　　過去，基于PWM（脈寬調(diào)制）方式的典型D類放大器需要外部濾波元件，會(huì)產(chǎn)生 EMI（電磁干擾）問題，并且“THD+N”（總諧波失真+噪聲）性能較差，因此與線性放大器相比，它的高效優(yōu)勢(shì)大為失色。然而，最新一代的D類放大器采用先進(jìn)的調(diào)制和反饋技術(shù)，可很好地緩解上述難題。

　　張秋明　　與AB類放大器相比，D類放大器最大的優(yōu)點(diǎn)是效率高：一般AB類放大器的效率不超過40%，而D類放大器通?？梢赃_(dá)到80%以上，最高可以超過90%.由于其高效率，D類放大器體積可以做得很小，便于采用較小的封裝，在中小功率產(chǎn)品中，基本上不需要外加散熱器。

　　目前同等功率的D類放大器單顆芯片價(jià)格要比AB類貴，但是由于不需要散熱片，在一些大功率應(yīng)用比如組合音響、家庭影院上，D類和AB類總成本比較接近。另外，采用D類放大器還可以節(jié)省電源成本和能源消耗，符合節(jié)能環(huán)保趨勢(shì)。

　　林欣欣　　D類放大器的開關(guān)結(jié)構(gòu)是比AB類放大器更優(yōu)勝的地方，但這也造就了它的缺點(diǎn)，即EMI的問題。人耳的聽力范圍介于200Hz至20kHz之間，D類放大器PWM信號(hào)的開關(guān)頻率一般要高于這個(gè)范圍，因此終端用戶聽不到PWM頻率噪聲。但是，當(dāng)開關(guān)信號(hào)及其高頻諧波被傳播至PCB（印制電路板）上時(shí)，它可能與系統(tǒng)中的射頻（RF）電路產(chǎn)生干擾。所以為了盡量減少任何潛在EMI問題所帶來的影響，必須審慎地進(jìn)行EMI濾波和做好布線預(yù)防措施。

　　通常來講，D類放大器的“總諧波失真+噪聲”額定值低于0.1%，而AB類通常低于0.01%.但對(duì)大多數(shù)擴(kuò)音器應(yīng)用而言，D類放大器的輸出聲音質(zhì)量都可接受。只不過在頭戴式耳機(jī)應(yīng)用中，由于音頻輸出接近人耳，需要高保真的音頻質(zhì)量，所以，AB類放大器仍是設(shè)計(jì)的首選。

　　D類放大器調(diào)制音頻信號(hào)采用的是PWM信號(hào)，而PWM信號(hào)是由電源電壓進(jìn)行偏置。D類放大器的額定電源抑制比（PSRR）可用于衡量這類放大器由電源電壓波動(dòng)產(chǎn)生失真的程度。設(shè)計(jì)人員應(yīng)選具有較佳PSRR的D類放大器。

　　王新成　　AB類放大器采用了運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)，由誤差校正、電壓放大和電流放大三部分組成，使用的全部是線性器件。D類放大器是由三角波產(chǎn)生器、積分器、比較器和電流開關(guān)組成，使用的是脈沖數(shù)字電路，幾乎全部是非線性器件。AB類放大器具有良好的性能指標(biāo)和更好的音質(zhì)。D類放大器有很高的效率和明快的中高音，但存在EMI問題。D類放大器更適合于便攜式電子產(chǎn)品、平板電視和有源音箱。但目前由于價(jià)格高于AB類放大器，應(yīng)用沒有AB類廣泛。

　　羅姆專家以前的揚(yáng)聲器放大器以AB類為代表的模擬方式為主流產(chǎn)品。此方式中，電源功率大部分提供給內(nèi)部電路的偏置，以使輸出三極管工作在線性區(qū)域，因此功率損失較大，從而產(chǎn)生較大的發(fā)熱量（無用的能量）。因此，在成品當(dāng)中，作為高發(fā)熱量的對(duì)策，都必須采用大型散熱片或散熱風(fēng)扇。針對(duì)這種現(xiàn)象，D類放大器中給揚(yáng)聲器負(fù)載提供電流的輸出三極管工作于開關(guān)狀態(tài)，功率損失非常小，因此，D類放大器具有發(fā)熱量小的顯著優(yōu)點(diǎn)。

　　張 揚(yáng)　 能夠使用線性放大器的任何場合都可以使用D類放大器。不過，D類放大器功耗更低，產(chǎn)生的熱量更少，不僅能夠減小電路板尺寸，降低成本，并能延長便攜式系統(tǒng)的電池壽命，因此，在應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

　　D類放大器采用了最新的技術(shù)，成本比線性放大器略高，但其價(jià)格正在下降。由于D類放大器功耗較低，因此省去了與散熱器、風(fēng)扇或其他冷卻設(shè)備相關(guān)的成本（與空間）。此外，當(dāng)利用數(shù)字信號(hào)源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，線性放大器需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬格式，而數(shù)字輸入的D類放大器有效集成了DAC功能，進(jìn)一步減小了成本與PCB面積。

　　應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬

　　●便攜式產(chǎn)品應(yīng)用盡顯優(yōu)勢(shì)

　　●平板電視領(lǐng)域前景看好

　　郭俊杰 D類放大器屬于揚(yáng)聲器專用的放大器，其典型應(yīng)用領(lǐng)域是音樂手機(jī)等便攜式多媒體設(shè)備，此外還有汽車音頻系統(tǒng)、數(shù)字電視、超便攜電腦（UMPC）以及剛剛興起的MID（移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）等。

　　林欣欣　　近年來，在延長電池工作時(shí)間和音樂播放時(shí)間等市場需求的帶動(dòng)下，手機(jī)已經(jīng)從采用AB類放大器轉(zhuǎn)向D類放大器。目前仍有一大部分的手機(jī)采用AB類放大器作為揚(yáng)聲器放大器，尤其是那些揚(yáng)聲器主要用作鈴聲的手機(jī)，放大器所消耗的電流極小，且持續(xù)時(shí)間短。在這類手機(jī)中，D類放大器可能沒有太多的優(yōu)勢(shì)。但對(duì)其他有免提揚(yáng)聲器、MP3播放器、流視頻和移動(dòng)電視等諸多音頻播放功能的手機(jī)來說，D類放大器能夠延長電池工作時(shí)間，優(yōu)勢(shì)不言而喻。近年來，中國的音頻設(shè)計(jì)人員已具備較高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)水平，能夠采用D類放大器進(jìn)行“無噪聲”設(shè)計(jì)。

　　由于D類放大器需要的散熱面積較小，它將有助于減小散熱片尺寸，幫助實(shí)現(xiàn)小巧纖薄的音頻終端設(shè)計(jì)。在液晶電視和筆記本電腦等應(yīng)用中，產(chǎn)品的厚度是決定消費(fèi)者選擇的關(guān)鍵因素之一，這使得D類放大器在這些領(lǐng)域的應(yīng)用前景被看好。

　　王新成　　D類放大器在手機(jī)、家電、PC等領(lǐng)域的應(yīng)用情況沒有半導(dǎo)體廠商預(yù)料的好，主要原因是售價(jià)比AB類放大器高50%甚至幾倍，還要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上花費(fèi)成本和時(shí)間解決EMI.但D類放大器的能耗只是AB類的43%，節(jié)能特性決定了它未來的美好前景。

　　D類放大器本質(zhì)上是一個(gè)DC-DC（直流-直流）轉(zhuǎn)換器，只不過參考信號(hào)不是基準(zhǔn)電壓，而是變化的音頻信號(hào)。因而只要有足夠的輸出功率，D類放大器可用于開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。但這種用法并不是科學(xué)合理的解決方案，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域具有更優(yōu)化的器件可用。

　　魏智　　當(dāng)前，針對(duì)絕大多數(shù)應(yīng)用都可以選擇適當(dāng)?shù)腄類放大器。這些應(yīng)用包括低功耗便攜式應(yīng)用（如蜂窩電話和筆記本電腦），電池壽命、電路板空間和EMI兼容性要求在這類應(yīng)用中至關(guān)重要；此外，還包括大功率應(yīng)用（如車載音響系統(tǒng)或平板顯示器），最大限度降低散熱需求和發(fā)熱量在這類應(yīng)用中必不可少。對(duì)D類放大器及其最新的技術(shù)發(fā)展有一個(gè)基本理解，將有助于設(shè)計(jì)者為具體應(yīng)用選擇合適的放大器，并正確權(quán)衡某些功能特性的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

　　羅姆專家　　電視機(jī)正快速向大屏幕、薄型化方向發(fā)展，對(duì)D類放大器的小型、薄型化以及高效率、低發(fā)熱特性提出日益嚴(yán)格的要求。此外，對(duì)于今后的產(chǎn)品特性，伴隨音頻信號(hào)的數(shù)字化要求，需要針對(duì)受限于產(chǎn)品尺寸配置的小揚(yáng)聲器，必須帶有音頻特性修正的均衡器功能，以及可以使用液晶面板的24V背光電源直接驅(qū)動(dòng)的高耐壓性能。羅姆電子正對(duì)應(yīng)這些需求進(jìn)行產(chǎn)品線的擴(kuò)充。

　　越來越多的手機(jī)具有音樂、視頻播放等多種功能。最重要的要求是電池的持續(xù)使用時(shí)間要延長，所以，對(duì)高效率、低功耗的D類放大器的需求今后會(huì)迅速擴(kuò)大。D類放大器具有功率損失小、發(fā)熱量少的特點(diǎn)，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、逆變器等都可以采用。

　　張秋明　　D類放大器在手機(jī)應(yīng)用上已經(jīng)非常成熟，估計(jì)近1/3的手機(jī)已使用D類放大器。在平板電視中，32英寸以上的電視，基本上都采用了D類放大器。在組合音響、iPod音箱中，D類放大器的應(yīng)用也越來越普遍。此外，在馬達(dá)控制領(lǐng)域，D類放大器也有少量應(yīng)用。