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讲科学不讲玄学,使用D类放大器打造高保真音频系统

2021年11月25日 17:22 次阅读

“水电柔、火电暖、核电硬……” 在不少发烧友的观念里,打造HiFi音频系统仿佛是一门玄学。但实际上,音乐从文件打开到喇叭播放的整个流程,不仅不是玄学,反而是一门精密严谨的科学。

音频的播放可以大致概括为以下三步:输入-放大-播放。不难看出,音频信号的放大在整个流程中发挥着重要的作用,这一步通常交由音频放大器完成。音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。音频频率范围约为20 Hz~20 kHz,音频放大器应具有良好的频率响应性能,以便忠实地再现声音和音乐。为了在成本可控的情况下实现低失真、低噪声以及较好音质的输出,工程师需要全方位设计调教音频放大器电路

 

音频放大器选择题?最后答案都选“D”

按照类型的不同,音频放大器可以分为:A类、AB类、B类和D类。在采用CMOS管的放大器拓扑结构中,A类使用一只晶体管作为直流电流源,能够提供扬声器需要的最大音频电流。A类放大器输出级可以提供优良的音质,但功耗非常大,因为通常有很大的DC偏置电流流过输出级晶体管;B类放大器其输出晶体管是以推拉方式独立控制,从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流,而低端晶体管吸收负电流。由于只有信号电流流过晶体管,因而减少了输出级功耗。但是由于交越失真的缘故,B类放大器电路的音质较差;AB类放大器是A类放大器和B类放大器的组合折衷,它也使用DC偏置电流,但它远小于单纯的A类放大器。小的DC偏置电流足以防止交越失真,从而能提供良好的音质。

但不管是以上哪种方案,都存在功耗大、效率低的问题,即使是B类音频放大器的效率也仅在28%左右,这意味着1 W的平均PLOAD需要2.53 W的B类放大器驱动,这对散热、尺寸、封装等因素都会产生不利的影响。面对宽的输出功率范围,理论效率可达100%的D类放大器极具低功耗优势,即使实际效率只达到80%,D类放大器输出级耗费的电源电流也仅是B类放大器的1/2.8,是A类放大器的1/23.6。

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A类、B类放大器和D类放大器输出级的功耗比较

高效转换的背后,是因为D类放大器由于具有不同的拓扑结构,可以简单地描述为开关放大器或脉宽调制(PWM) 放大器,其输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲。这种波形有利于降低功耗,因为当输出晶体管在不导通时具有零电流,并且在导通时具有很低的VDS,因而产生较小的功耗LDS×VDS。

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基本D类放大器的信号流程

巧用电流监控电路进一步提升音质

虽然利用D类放大器的低功耗优点有力推动其音频应用,但某些技术仍能改善音频质量,例如使用反馈和预失真机制。在反馈机制中,输出信号(通常来自滤波器)被送至输入端的误差校正模块。误差校正模块可以是全模拟式,或者采用数字处理故意使音频信号预失真,从而校正输出瑕疵并改善音频输出质量。除了扬声器的固有非线性之外,扬声器阻抗因为温度和老化而变化的趋向也可能引起这种瑕疵。

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使用反馈机制的基本D类放大器

电流监控电路可以获取要反馈的数据进行误差校正。电流监控电路广泛用于各种仪器仪表领域,以便实现保护、补偿和控制,电流监控的常见应用有电池监控系统、电机控制、过流保护和4 mA至20 mA系统,在音频等商业应用中也很有用。此类应用之一是监控音频放大器输出到扬声器的电流,以便提供音质补偿和保护。选择适合这种用途的器件存在挑战,这种挑战在于器件必须足够鲁棒以便接收音频放大器输出端的高压脉冲。

ADI公司提供的精密差动放大器AD8479可以满足这一要求,即使存在高达±600 V的共模电压,它也能精确测量差分信号。下图所示的输入共模电压与输出电压的关系曲线表明了这种能力。它具有以下特性:低失调电压、低失调电压漂移、低增益误差漂移、出色的共模抑制比(CMRR)和宽频率范围。在本应用笔记中,AD8479配置为高端电流检测放大器,用于监控D类音频放大器的电流。AD8479同时具有130 kHz的带宽,可满足音频应用的带宽需求。

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AD8479输入共模电压与输出电压(VOUT)的关系

为了达成低失调、低噪声的目的,电流监控电路中还加入了ADA4805-1,这是一款低输入失调电压和低输入失调电压漂移轨到轨放大器。ADA4805-1的增益设置为10,产生的输出电压通常在下一级的输入电压范围内。下一级通常使用逐次逼近型(SAR) ADC来处理音频信号。AD8479输出馈送到ADA4805-1输入,后者用作ADC驱动器,增益为10。电阻容差应较低,以免电路产生较大失调漂移。

在使用配置±50 V电源电压,提供1 kHz正弦输出,可扩展输出功率从25 W到500 W的D类功率放大器情况下,流经检测电阻(RSENSE)的电流为4.74 A,产生475.71 mV峰值的满量程电压。共模电压为37.9 V峰值。

电流监控的主要误差源分析

CMRR表示器件抑制各输入端共模干扰信号的能力。数学上,它指共模增益变化与差分增益之比。如果存在高共模电压,尤其是当测量小差分信号时,此参数常常是最大的误差贡献因素之一。CMRR产生一个对应的输出失调电压误差,该误差是系统总误差的一部分。AD8479的额定CMRR为96 dB。另一个误差源是失调电压。满量程信号越小,失调电压贡献的误差越大。

AD8479的输入失调电压为1 mV,转换为ppm时,贡献满量程(FS)的2102 ppm。ADA4805-1引入125 μV失调电压,其乘以增益10,故而失调电压引起的总误差为满量程(FS)的3352 ppm。此外,数据手册显示AD8479具有0.02% FS的增益误差,因而AD8479给电路带来的误差为200 ppm FS。

表1和表2分别汇总了AD8479和ADA4805-1的主要误差源。 AD8479失调电压贡献的误差最大,在37.9 V输入共模电压 下,其为2102 ppm FS。共模电压贡献的误差为1262 ppm FS。

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实时监控不仅需要高精度器件,还要求快速响应,以便应对目标电流的突然变化。输出信号的变化速度必须跟得上输入信号的变化速度,这就需要在很短的时间内正确解读扬声器的电气状态,甚至短路事件。下图显示了输入和输出响应与时间的关系,给出了输入信号的上升时间以及AD8479和ADA4805-1的输出。

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显示相位响应的实测电压

小结

凭借小尺寸、高效率、发热量小等多个优势,如今D类放大器已经在市面上大部分有源音箱中得到应用,其高保真特性也得到了音频发烧友的一致认可。能够提供精准测量的的电流监控电路无疑能为D类放大器锦上添花。AD8479的高输入共模电压范围为测量D类音频放大器的典型信号输出提供了必要的条件。此外, AD8479和ADA4805-1具有充足的带宽来满足音频频段的工作要求。这些因素加上出色的失调、增益和CMRR特性,能够更科学的构建一个强大的音频系统。

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