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「掌握」D類音效功率放大器(Class D Audio Power Amplifier)
音質與用電的新妥協方案
(郭長佑/DigiTimes.com)2005/06/20
 
導言:

 老一代的電子電機人,在學校上課時多半只聽過A類、B類、C類的功率放大電路(常用在音響系統的後級擴大),以及折衷式設計的AB類,並對各者的特性優劣、運用時機有所瞭解,但曾幾何時世界上又多出了一種D類放大器,此物是從何而來的呢?

 事實上,功率放大(簡稱:功放)電路不止ABC三類,也不是突然多出個D類,D類早已存在,其他還有E類、F類、G類、H類,甚至是跳跨列編的S類等,只是這些類型的電路運用機會低,或者與A、B、AB類相近再另行變化,所以也就鮮少提及。 


▲圖說:美國國家半導體公司(National Semiconductor;NS)的高用電效益D類放大器:LM4670、LM4671,採行Tiny Micro SMD封裝,使其達到最小的空間精省與電路佈局彈性,另外也具有關閉模式以降低用電,適合用在手機、PDA等手持裝置。(圖片來源/National.com)

 AB類放大:音質與用電的妥協設計

 為何今日會盛行D類放大器呢?在如此問之前其實應當問過去至今為何AB類會盛行?

 在此我們不再詳述電路的細節運作原理,單就結果特性來說明,A類放大具有最佳的信號傳真性(電壓波形幾乎無失真),但卻相當耗用電能,一般來說電能利用率只有20%∼30%,舉例而言,倘若供應100W電力給A類放大機(擴大機),最後真正輸出到喇叭發聲功率的只有25W,其餘的75W統統是放大系統運作過程中的耗用,而且此一高耗能也會產生高廢熱,需要在放大電晶體上配裝厚高的散熱片來幫助散熱。雖然A類電能利用率差,但信號完整是其可取之處,所以依然用在高檔專業音響中,發燒友為了享受無失真的完美音質,不會太在乎多耗3倍的電能。

 至於B類放大,其電能利用率較高,理想上可至75%,但卻有交越失真的問題,上下波形中有一者會遭部分截斷,而無法全波完整放大,如此若用在音響系統就會有明顯的聲音粗糙變質。至於C類放大比B類更糟,上下兩波形都失真,因此更無法用於傳真性的放大應用中,多半只用在無線通訊的RF射頻系統上。

 既然A類波形佳、用電高,而B類卻是用電佳、波形稍差(介於A類與C類間),因此人們有了截補的想法,同時用上2個B類放大電路,將兩者所剩的完整半波予以合併,以此達到與A類相同的全波效果,此即是所謂的AB類放大(運作電路來自2個B類,呈現效果卻近A類),且用電上依然低於A類,若要同樣實現一個輸出放大達25W的系統,A類整體需要100W,AB類約只要66W,如此連散熱片的體積也可以因此精簡。今日絕大多數的消費性音響及視聽設備都是用AB類。 


▲圖說:NS的D類放大器:LM4666、LM4668,LM4666是專供手持行動用的雙聲道喇叭放大器;LM4668則是切換式功率放大器,專供平面顯示器、平面電視、音效卡之用。(圖片來源/National.com)

 D類放大:爭取更高的體積與用電效益

 很明顯的,AB類是兼顧用電(也包含散熱、體積)要求及音質要求的妥協性設計,而本文所要談論的D類也是如此,只是這次更加偏重在電路體積與電能利用率。

 在此我們要稍微詳細地說明D類放大的原理,與ABC三類不同的,D類不是利用功率電晶體的線性工作區間特性來放大,不是用類比原理來放大,而是用上電壓比較、脈寬調變等技術來放大,也因此有人稱D類放大為數位式功率放大或數位功放。

 首先,D類放大會將原始的類比信號波形,與比它更高頻率的三角波(或鋸齒波)進行電壓比較(透過電壓比較器),如此便可將以振幅高低性表示的信號調變成以脈波寬窄性表示的信號,此即是脈寬調變(Pulse Width Modulation;PWM),之後將PWM信號輸出到MOSFET場效電晶體上的閘極,以控制電晶體的導通、關閉,同時也在這個階段進行信號功率放大,最後MOSFET的輸出端連接LC(電感、電容)低通濾波電路,將PWM的載波濾除,使原始信號波形重新呈現。

 瞭解原理後,再進一步去瞭解D類方式所呈現的優缺點,缺點是以調變程序所形成的放大必然與原始信號有些出入,但在一般消費性的音樂播放上依然可被接受,相對的D類放大提供了更多的益處,主要是極高的電能利用率,純理論上是100%運用,實務上也經常在80%、90%的層級,比AB類更佳,也因此可再降低散熱片的倚賴性,甚至在低功率時可完全將散熱片捨棄。此外連同其相關組件所需佔用的電路面積、體積,以及電路簡易性等,亦都是D類較優異。

 更簡單說,D類與AB類一樣是妥協性的設計,在仍不錯的音質下進行大幅的用電、體積精省,這正是今日掌上型、行動式、手持式裝置所最鍾意的特質,現在絕大多數的手機、數位隨身聽、口袋電視、PDA、PMP等,其音效部分都採行D類放大器。 


▲圖說:德州儀器(Texas Instruments;TI)的20W單聲道D類放大器:TPA3001D1之內部功能方塊圖,原始類比音訊波形在與三角波進行電壓比較前,會先進行振幅微增的的前置預先放大,再用積分器進行低通濾波,以消除疊頻(aliasing)影響。(圖片來源/TI.com)

 您必然要面對D類放大器!

 至此各位可能會說:我沒有設計手持裝置,不需要講究用電及電路體積,所以依然可用AB類放大器。但其實非行動運用也逐漸有採行D類放大器的趨勢,過去傳統類比映像管電視有很大的體積,其機內仍有寬裕空間可設計音效電路,散熱及用電也與映像管系統一併考慮,然而如今數位平面液晶電視、平面喇叭盛行,力求短小輕薄與低用電,這時就難以堅持續用AB類放大器,一樣需要考慮用D類放大器。

 同樣的,車內音響及車用娛樂系統也是如此,車用電瓶的電力雖多於掌上型裝置的電池,但畢竟少於家用供電插座,加上車體與內裝空間的限制,一樣有用電與體積的精省壓力,這時也會考慮用D類放大器。

 事實上市場也是如此發展,最迫切需要D類放大器的是手持裝置,因此初期的D類放大器皆屬低功率,即1W∼3W的數瓦層級,之後開始有中功率(10W∼30W的數十瓦層級)的出現,而今更是達100W∼200W的高功率,D類放大器正日漸普遍,不再只是行動設計需要,日益講究省電、短小輕薄的消費性產品都有需求。 


▲圖說:TI TPA3001D1的電能利用率(縱軸)、輸出功率(橫軸)對應圖,使用18V的工作電壓,以及在4ohm、8ohm兩種不同輸出阻抗下的表現曲線。(圖片來源/TI.com)

 D類放大器的一致性新追求

 接下來我們將討論如何挑選與要求D類放大器,依據筆者的探尋,目前提供D類放大器的常見業者有ADI、Cirrus Logic、MAXIM、Motorola、NS、Philips、Sanyo(與Bang & Olufsen合作)、ST(與Apogee合作)、TI、TriPath等,多是有多年深厚類比技術的歐美業者,而各業者的發展亦各有異,有的強調精巧體積,有的強調高電能利用率,不過大體上也有許多一致的強化與精進目標。

 首先是供電抑制率(Power Supply Rejection Rate;PSRR)與總諧波失真+噪訊(Total Harmonic Distortion Plus Noise;THD+N)等的要求,前者以分貝(dB)為單位,後者以百分比(%)為單位,PSRR必須盡可能高,THD+N則是盡量低,一般不超過10%,高標要求上還要低於0.1%、0.01%。

 值得注意的是,各Data Sheet上的THD+N標示多半有附加說明,即是與之相關的參數,包括負載阻抗Rl(l=Load)、輸出功率(Output Power,Pout或Po)、PWM的調變頻率f,四者必須同時齊頭比較才能瞭解各業者的D類放大器是優是劣,而其中Rl多半是4ohm(歐姆)或8ohm,即是指喇叭或耳機的阻抗值,PWM頻率則須在原始音聲頻率的12倍∼24倍以上,透過更高頻率以力求後續調變、還原後的信號仍足夠細膩、清晰。而人耳所能聆聽的範疇在20Hz∼20kHz,20kHz的12倍即是240kHz,實際上多數D類放大器的PWM頻率多可達250kHz,甚至更高。

 附註:有些資料將PWM Frequency(PWM調變頻率)稱為Audio Modulator Clock。

 至於輸出瓦數,除配合設計情境及運用場合外,一般來說也是盡可能高要求,希望有較大、較寬裕的放大輸出功率,而輸出功率的指數也與THD、Rl等一併連動,除標示瓦數外,也會順帶標註Rl阻抗值及THD百分比。此外,D類的優點在於高電能利用率,利用率其實也與輸出阻抗及輸出功率息息相關,阻抗高利用率也高,輸出功率高利用率也會高。

 更進一步的,還要注意佔用體積與EMI電磁干擾,體積上不僅力求放大器的封裝精小,也希望盡可能不要用上散熱片,以及外部搭配電路及組件(或電容、電感,有時也包含MOSFET電晶體)也必須要精小或盡可能省略,至於電磁干擾是D類放大器特有的問題,ABC與AB類放大器沒有此種問題,因為D類放大器會持續頻繁地進行電晶體的導通、關閉操作,所以容易產生電磁干擾的問題,有時甚至要用上金屬外覆來屏蔽,當然!最好是不需用上,且不用上時也要盡量降低電磁干擾的發散度。

 而在放大功效的本務之外,也會強調額外的保護電路及控制電路,但各家重視的環節與實現作法都不一,此方面我們將在下一部分說明。 


▲圖說:MAXIM的切換式D類音訊功率放大器:MAX4295,該晶片的第14、15接腳為FS1、FS2輸入腳,可由外部給予Hi、Lo邏輯訊號,以決定D類放大器的PWM調變頻率,共有4種可變換的頻率:125kHz、250kHz、500kHz、1MHz。(圖片來源/MAXIM-IC.com)

 各業者對D類放大器施展看家本領

 最後讓我們來看看各業者在D類放大器上的特有用心及努力,筆者歸納整理的結果,大致可從數個方面來談,即省電、控制、體積、彈性、保護。

 在省電上,除了前述的電能利用率外,還會有Power Down、Shutdown等省電模式,例如MAXIM、TI的D類放大器都提供了#SHUTDOWN、#SHDN接腳,可由放大器以外的輸入來控制其動作、關閉、休眠。

 在控制上,有PWM頻率的調整、聲道操控等,多數的D類放大器其PWM頻率是固定的,或者透過外接電阻來微幅調整,而MAXIM的方案是可分段式調整,透過FS1、FS2接腳可選擇4種PWM頻率,如125kHz、250kHz、500kHz、1MHz。此外有Mono(單聲道)或Stereo(雙聲道)的放大器,業者多會提供聲道啟用、關閉的功能,更理想者可個別開關某一聲道,或者還額外提供MUTE的靜音控制功能。

 在體積上,多數的D類放大器已內建輸出放大所需的MOSFET電晶體,但也有業者是採分離設計,如Cirrus Logic的TrueDigital CS44210或CS44L10(耳機用),需搭配IR(International Rectifier)的HEXFET IRCS8101或IRCS8102 MOSFER電晶體,或如NS的 Overture LM4651搭配LM4652,如此才算是完整的D類放大電路。

 已內建MOSFET電晶體的好處是體積更小,然有得即有失,失去的即是搭配彈性,事實上D類放大至MOSFET段時還可選擇全橋或半橋的接法,若採內建便無再選擇性。

 不單是內建MOSFET,業者也盡力縮減更後段的LC低通濾波電路,力求使用更小的電容,或根本省去電容(Cap-Free),甚至TI還提出連外接電感都一併省去(LC-Free、Filter-Free),直接將揚聲器的音圈之漏電感來充當L效用,此種D類放大器整合密度最高,其輸出接腳可與喇叭、耳機直接相連,雖然此方式可將體積縮至極小,但也有些許疑慮,因為高頻部分未經過濾就直接輸出,雖然喇叭不易將20kHz以上的頻率發聲,即便發出人耳也聽不到20kHz以上的頻率,但精省LC電路也會使電能利用率降低。

 最後就是各種保護措施,首重的是過熱保護(功率晶體過熱)、過電流保護(輸出功率過高),例如超過攝氏135度會透過輸出接腳警告,超過150度時不僅輸出警告同時也自動關閉該聲道,此稱為過熱關閉(Thermal Shutdown),並在低於135度自動恢復工作。

 另外還有短路保護(Short Circuit Protection)或過調變保護(Over Modulation Protection),如NS的方案中即有過調變保護,由於原始類比音訊的波幅可能未與三角波的波幅完全對齊,一旦原始音訊的波幅超過或低於三角波,則電壓比較器的Hi、Lo脈寬輸出便會失序,而過調變保護則可防止此種失序。 


▲圖說:NS為其D類放大器提出過調變保護的功能,由於原始類比音訊的上下波幅不見得能全然與三角波的波幅對齊,若音訊波形過高或過低會導致調變失序,而過調變保護可忽略失序的電壓比較結果,保持PWM調變的正確性。(圖片來源/National.com)

 
 
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