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D类放大器原理详解及应用设计指南(三)
摘要: 本部分讨论音质问题:要利用D类放大器实现整体良好的音质,一些问题必须得到解决。
Abstract:
Key words :

  本部分讨论音质问题:要利用D类放大器实现整体良好的音质,一些问题必须得到解决。

  喀哒和爆裂声:当放大器在打开或关闭时可能会很烦人。然而不幸地是,除非当放大器被静音或未被静音时,对调节器状态、输出级定时以及LC滤波器的状态予以特别注意,否则,D类放大器中很容易引入喀哒和爆裂声。

  信噪比(SNR):为避免来自放大器噪声基底可听得到的嘶嘶声,便携式应用中低功率放大器的SNR通常应超过90dB,100dB用于中等功率设计,110dB用于高功率设计。这对于多种不同的放大器实现都是做得到的,但在放大器设计期间必须对各个噪声源进行跟踪,以确保获得一个满意和全面的 SNR。

  失真机制:这些机制包括调制技术或调节器执行的非线性特征—和输出级中采用的死区时间以解决直通电流问题。

  有关音频信号级的信息通常以D类调节器输出脉冲的宽度进行编码。加上死区时间以阻止输出级直通电流引起非线性定时错误,这一错误会使扬声器失真,该失真正比于跟理想脉冲宽度相关的定时错误。避免直通的最短的死区时间对于最小化失真往往是最佳的,可见参考2的详细设计方法,该方法用于优化正处在交换输出级的失真性能。

  其它失真源包括:输出脉冲过程中上升和下降时间的不当匹配;输出晶体管栅极驱动电路定时特性的不当匹配;LC低通滤波器组件中的非线性特征。

  电源抑制(PSR):在上一节所示电路中,电源噪声几乎与具有非常小抑制的扬声器直接耦合。出现这一问题是因为输出级晶体管以非常低的电阻把电源连接到低通滤波器。滤波器抑制高频噪声,但被设计用来让包括噪声在内的所有音频频率都能通过。参考3所示为单端和差分开关输出级电路中电源噪声的完整影响描述。

  如果失真或电源问题中的任何一个都得不到解决,要实现比10dB更好的PSR,或者好于0.1%的总谐波失真(THD)是困难的。甚至更糟的是,THD可能是劣质音响的高阶类干扰成分。

  幸运地是,已经有了针对这些问题的更佳解决方案。采用具有高环路增益(如在许多线性放大器计中采用的)的反馈有很大帮助。来自 LC滤波器输入的反馈将极大地改进PSR并削弱所有LC滤波器失真机制。 LC滤波器的非线性特征能够通过把扬声器包括在反馈环中得到削弱。在设计完整的闭环D类放大器中,具有PSR > 60dB和 THD< 0.01% 的高保真级音质是可以实现的。

  反馈使放大器设计变得复杂,但是,因为环路稳定性必须得到解决(有一个针对高阶设计的完美考虑)。连续时间模拟反馈也有必要捕获有关脉冲定时错误的重要信息,因此控制回环必须把处理反馈信号的模拟电路包括在内。在集成电路放大器实现中,这可能增加裸片成本。

  要使IC成本最小化,一些供应商较偏向尽量减少模拟电路组件或取消这些组件。一些产品采用数字开环调节器,加上一个模数转换器来感测电源变化—并由参考3中所提出的方案来调整调节器的补偿行为。这能提高PSR,但不会解决任何失真的问题。其它的数字调节器试图预补偿可能出现的输出级定时错误,或纠正调节器的非理想特性。这至少能部分解决一些失真机制,但不能解决全部的失真机制。那些对音质没有严格要求的应用可通过这种开环D类放大器来处理,但某些形式的反馈对获得最佳音频质量是不可或缺的。