D类放大器的应用范围非常广泛,随着技术的成熟,目前已进入大规模普及阶段。针对其在器件成本、EMI等方面的问题,业内企业也提出了多种解决方案。

D类放大器技术是三四年前被业内热议的新技术,目前它已进入大规模普及阶段。业界正在积极解决应用普及过程中的问题,如EMI(电磁干扰)、成本和效率等。与此同时,集成技术也是一个不容忽视的趋势。

转入大规模普及阶段

三四年前,D类放大器在业界掀起了一个新技术的小高潮。D类放大器采用脉冲调制方式将输入信号转换为数字脉冲,由MOSFET进行放大,再通过低通滤波器恢复出原始基带信号。相较于传统的AB类放大器,这种开关式的放大技术使其具备高转换效率的优势,其转换效率可以达到80%-90%,而传统AB类放大器的转换效率仅在50%左右。

不过,近两年业界谈论D类放大器技术的文章越来越少。“其实这并不是D类放大器市场转淡了,而是该技术已经比较成熟了。”ADI公司便携式音频产品线低功耗D类产品市场经理张杨女士对《中国电子报》记者介绍说,“而且,这两年D类放大器开始进入了大规模的应用和普及阶段,因此,业界对它的宣传已经侧重于多元化的应用了。”“估计市场上近1/3的手机已使用了D类放大器;32英寸以上的平板电视基本上也都采用了D类放大器;在组合音响、iPod音箱等应用中,D类放大器也越来越普遍。”恩智浦半导体多重市场产品部产品市场经理徐小林向《中国电子报》记者介绍D类放大器的普及情况时说,“除了上述音频应用外,在马达控制领域,D类放大器也渐渐有了少量应用,值得我们关注。”

美国美信集成电路产品公司中国区市场传播及应用支持经理魏智也对《中国电子报》记者表示,随着集成工艺的改进和相关技术的引入,现代D类放大器在线性度、占用电路板空间等方面的特性都得到了改善,再加上它的高效率优势,目前,绝大多数应用都可以选择适当的D类放大器。这些应用包括低功耗便携式应用,如蜂窝电话和笔记本电脑,还包括大功率应用,如车载音响系统或平板显示器。

除了音频和工业市场外,D类放大器甚至进入了新能源市场。“虽然今天D类放大器的增长领域还主要集中在便携式产品市场,但它的应用范围非常广泛。只要可以接受开关形式的应用,都可以采用它。”张杨说,“D类放大器的效率高,功率损失小、发热量少,现在,在能源转换市场,逆变器也采用了D类放大器的原理,由此可见它的应用范围是相当广泛的。”

降低成本改善EMI

在转入大规模应用之后,业界正在积极解决D类放大器在应用中不断出现的问题。

传统D类放大器的一个主要缺点是它需要外部低通滤波器来恢复原始基带信号,这不仅增加了方案总成本和电路板空间,也因滤波元件的非线性而给器件引入额外的失真。为此,美信开发了一种扩谱调制。据魏智介绍,实际开关频率相对于标称开关频率的变化范围可达到±10%,尽管开关波形在各个周期会随机变化,但占空比不受影响,因此输出波形可以保留音频信息;扩谱调制有效拓展了输出信号的频谱能量分布,使频谱能量不集中在开关频率及其各次谐波上。“换句话说,输出频谱的总能量没有变,只是重新分布在更宽的频带内。这样就降低了输出端的高频能量峰,因而将扬声器电缆的EMI辐射降至最低。”她说,“虽然一些频谱噪声可能由扩谱调制引入音频带宽内,但这些噪声可以被反馈环路的噪声整形功能抑制掉。”借助这一技术,美信推出了许多免去低通滤波器的D类放大器。美信新一代D类音频功率放大器还在这项技术的基础上增加了一项新的、正在申请专利的有源辐射抑制电路。该技术在不降低音频性能的情况下进一步降低窄带频谱分量。

恩智浦则采用了多项专利来改善EMI问题,比如跳频技术。目前,业内无低通滤波器的D类放大器主要集中在小功率产品部分,当功率较大或放大器和扬声器的连线比较长时,仍需要加滤波器。

在降低EMI方面,ADI产品采用的调制方式是PDM调制,与传统方式PWM相比,PWM的单一频率冲击比较大,PDM调制使输出尽量平缓,EMI控制得比较好。ADI最新的产品甚至可以把控制EMI的权力交给客户。如果客户希望EMI降得很低,就可以选择把脉冲的上升沿和下降沿平缓下来,但脉冲平缓下来肯定就影响效率,这需要客户自己去权衡,ADI在器件上留一个管脚,让客户根据自身的需要选择模式。

ADI公司张杨女士发现,在亚洲特别是中国,由于大家习惯把音响的声音放得比较大,喇叭会承受不了,最后导致失效,这其实涉及一个D类放大器的自适应性问题。为此,ADI推出了ALC(自动增益控制)技术。该技术自动检测输入信号端,如果进来的信号比较大,就把D类放大器的增益降低;如果信号很小,就提高增益。这样,从喇叭中放出的声音就比较均匀,也不会损坏喇叭。

小功率产品趋于主芯片集成

集成也是模拟器件技术发展过程中的一个话题。集成可以降低成本,这正是D类放大器需要解决的问题。与传统的AB类放大器相比,D类放大器由于架构原因,芯片成本还相对较高。此外,外部通常还需要加滤波电路,也进一步增加了D类放大器的应用成本。这阻碍了一部分用户对D类放大器的应用。

恩智浦半导体多重市场产品部产品市场经理徐小林表示,早期的D类放大器大多采用PWM和MOSFET分离的双芯片方案,但目前的主流产品基本都集成了PWM和MOSFET。采用该集成技术的放大器芯片方案可令设计更简单,成本也更低。

除了自身的集成趋势外,D类放大器正在走与其他器件整合的道路。张扬认为,业界对D类放大器的集成主要集中在变频控制、EMI控制和增益控制上,此外,耳机、音频接口也集成到了D类放大器中。徐小林认为,在一些小功率应用中,D类放大器正逐渐被集成到主芯片或其他器件中。在大功率应用中,D类放大器还是主要的功能器件,D类放大器正集成更多的功能,比如扬声器和数模转换器等;小功率产品方面,恩智浦正在开发在手机中应用的集成I2S解码的D类功放产品,它能有效提高音质和抗干扰能力,并能对手机扬声器做频响调整,能显著提高手机的音频性能。


D类放大器工艺比较

目前,业内主要有3种工艺来制造D类放大器,分别是CMOS、Bi-polar和BiCMOS,每一种工艺的侧重点不一样。CMOS成本比较低,可以将器件做得比较便宜,但很难实现高压器件,精度不如Bipolar那么高;CMOS要克服噪声,做到低噪声,还要克服一些挑战。Bipolar制造的芯片尺寸非常大,成本比较高,也不能做特别低压的器件。目前,业界普遍采用的是BiCMOS。从技术上说,BiCMOS已经比较成熟了,比较适用。但目前也有一些企业选择使用CMOS工艺,发挥它成本较低的优势,采用一些专利技术对该工艺进行补充,使其获得较好的精度。