D类音频功率放大器的评估及应用

    现今几类基本功放拓扑中，AB类功率放大器已经被广泛的应用于各种音频产品，包括手机、mp3播放器和PMP系统中。考虑到AB类功率放大器能够提供高品质的信号放大性能，因此非常适合耳机和一些小功率喇叭的应用。但是由于更多、更新的便携式产品对多媒体功能有着更高的要求，立体声音频，3D环绕音效以及大音量输出已逐渐成为新一代便携式多媒体产品必不可少的功能。更小的外形设计、使用更薄的电池、较低的效率成为AB类功率放大器的致命弱点。为了解决节能和大功率音频输出之间的矛盾，D类功放较之AB类在效率上有了很大的提升，已逐步应用在一些高端产品中。下面将简单介绍D类功放的工作原理，以及基本的测试方法。

　　以安森美半导体公司NCP2820为例，D类功率放大器使用完全不同于AB类的工作模式，如图1所示，NCP2820内部由三部分组成：预放大、采样及脉宽调制和H型功率输出部分。

　　预放大，由一个全差分模拟运放构成，对输入的差分信号做相应的放大，增益由内部固定阻值的电阻Rf除以Ri得来。Ci和Ri构成一个低通滤波电路，隔离输入信号中不需要的直流部分。由于NCP2820使用了全差分运放，所以如果输入为全差分信号，Ci也可以省略。

　　采样及脉宽调制，把预防大以后的信号和一个250kHz的三角波相比较后形成一个250kHz脉宽调制的方波信号。每个脉冲的宽度实时体现了输入信号的幅度。

　　H型输出电路，如图1中显示由两对MOSFET构成，并由前级产生的脉冲信号驱动。产生具有功率输出的脉冲信号到负载扬声器。现在普遍应用的8Ω动圈式扬声器，其内部线圈具有近似15mH感抗和本身8Ω的阻抗构成解调电路，可以把脉冲方波还原成模拟信号。这也是为什么不需要在输出端外加低通滤波器做解调电路的原因。

　　NCP2820使用了1.5mm×1.5mm flip-chip的小型封装，以及很少的外部器件，使电路设计更为简单，电路板布线也更为方便。但这里需要强调的是由于D类功放的输出为近似 250kHz的脉冲波形，所以在布线时，尽量使功放靠近扬声器，以避免不必要的噪声和干扰。

　　工程师在对AB类功放进行测试时，可以直接用示波器探头捕捉到实际的输入和输出波形。但是在测试D类功放时，由于输出不是模拟的音频信号，而是一定频率的数字脉冲方波，这就需要附加滤波器来进行测试。图2为D类音频功放的测试配置。

　　从工程师的角度看，THD+N（总谐波失真+噪声）和PSRR（电源抑制比）是相对比较重要的两个参数，这两个参数直接体现了音频放大器的性能。

　　图3给出了测试谐波失真+噪声的电路配置。利用音频分析仪的信号发生器可以产生供测试用的标准正弦差分或单端信号输入到NCP2820，并检测NCP2820的输出端。可以按照测试设定的要求分析输入以及输出信号，并按照设定，显示出测试结果。

　　如果设定测试输出THD+N性能相对输出功率时，音频分析仪的信号发生器会在一个固定频率点上调整输入到NCP2820的正弦波的幅度，并且测试出在不同幅度输入下输出信号的谐波值，依据给定负载计算出功率。这个功率值除以基带功率就得到THD+N的测试结果，并以图形形式表现出来，如图4为 NCP2820在4.2V电源电压，8Ω负载下，得到的测试结果。可以看出NCP2820 在1W的输出功率下，THD+N<1%保证了输出音乐的质量

　　如果需要测试输出THD+N性能相对信号频率时，音频分析仪的信号发生器会在一个固定幅度点上调整输入到NCP2820的正弦波的频率从 20Hz~20KHz，同时分析仪的接受端口测试出在不同频率输入下输出信号的谐波值，每个测试值都需要与基带频率相比然后以图形的形式表现出来, 图5为NCP2820 在8Ω负载下得到THD+N性能相对频率的特性曲线。

　　THD+N的性能决定了输出音质的好坏。由于D类功放的工作原理，因此性能会略差于AB类功放。

　　另一个相对重要的性能参数就是PSRR电源抑制比，这个参数体现了功放受电源电压波动影响的程度。在便携式无线通讯产品中显得尤为重要。

　　如图6中所示为电源抑制比测试的基本配置。可以看出和谐波失真测试不同，此时的NCP2820的输入端被接到地，理想情况下BTL输出得到的差分信号应该为零。但是由于电源波动会造成输出信号产生相应的波动，从而产生可以被听见的噪声。在测量电源抑制比相对电源波动频率时，信号发生器产生一个幅度固定频率从20Hz~20KHz的标准正弦信号，通过BUFFER驱动提供NCP2820工作所需的直流分量。分析仪的接受端口测试出在20Hz~20KHz频率下，输出信号的有效值，然后和输入信号有效值相比较，并以图形表示出来，如图7以dB为单位表示的NCP2820的电源抑制比特性波特图。

 

　　综上所述，音频放大器的测试配置需要依赖专业的音频分析仪进行，通常工程师会对系统作整体的测试，而不会针对放大器IC做上述详细的测试。安森美半导体公司所提供的所有音频放大器件包括NCP2890, NCP2892, NCP2809, NCP4894, NCP2820，NCP2821都在datasheet中提供了相应的测试结果，保证了产品的质量。