[经验]

D类放大器如何降噪？

2020-12-25 14:40:39

1428 D类放大器放大器

　　由于其小巧的尺寸和高的能源效率，D类放大器已成为智能手机和电池驱动的人工智能（AI）扬声器中的固定设备，在这些扬声器中，空间和功率的预算非常严格。他们已经取代了A类和AB类放大器，这两种放大器均具有出色的线性度，高增益和低信号失真水平，但是却非常耗电。
　　D类放大器是使消费者需求呈指数增长的关键技术要素之一，这些非线性开关放大器理论上可以达到100％的效率。与A类和AB类不同，电流仅流经导通的晶体管。但是，D类放大器的显着优势还有一个缺点，那就是它们的高速开关会产生潜在的噪声（图1）。
　　

　　图1高速开关会在诸如智能扬声器之类的音频设备中产生噪声，资料来源：TDK
　　因此，设计工程师必须采取有效的噪声对策。但是，与此同时，这些措施既不能增加布板面积，同时也不能影响信号和音频质量，这意味着插入扬声器线路中的噪声抑制滤波器的性能非常重要。扬声器的音质还受到D类放大器输出级低通滤波器（LPF）中使用的电感器性能的影响。
　　另外，通常扬声器线路中必须采取防静电措施（ESD）。在这里，具有多层压敏电阻技术的ESD陷波滤波器既可以保护与ESD相关的瞬态过电压，又可以保护与无线通信相关的滤波器噪声源。
　　ESD陷波滤波器在抑制辐射噪声方面也起着关键作用。多层压敏电阻具有特定的寄生电容，旨在与蜂窝，蓝牙或Wi-Fi频段干扰相关的滤波噪声源协同工作（图2）。
　　

　　图2MAF和AVRF系列滤波器的协同工作可降低插入损耗。资料来源：TDK
　　下面总结了实现这些功能的基本应用方法。
　　100mW至2W级音频
　　在扬声器输出相对较小（100mW至2W）的智能手机和其他设备的扬声器线路中，通常使用不带LPF的D类放大器。声音失真度通常以数字形式表示为总谐波失真加噪声（THD+N）；其值越低，声音质量越好。
　　如果在扬声器线路中使用通用的芯片磁珠，则输出会导致THD+N值升高，从而降低声音质量。但是，对于噪声抑制滤波器，THD+N特性等同于不使用滤波器的特性。即使增加输出功率，对信号也没有影响，也不会产生声音失真。使用输出信号的频谱（1kHz），使用贴片磁珠时，谐波水平明显更高；这种谐波分量被称为失真。相反，使用噪声抑制滤波器时，高频不会受到影响，因此只能听到干净的1kHz信号。
　　与不使用滤波器相比，噪声抑制滤波器在辐射噪声抑制方面的效果等同于关闭D类放大器时的效果。例如，TDK的MAF系列滤波器是多层芯片组件，它们使用一种新型的铁氧体材料来实现低失真，同时保持其噪声消除特性。
　　2W至20W级扬声器线
　　对于扬声器输出为2W至20W等级的设备，例如AI扬声器，平板电脑和其他音频设备，有必要在外部为LPF提供电感以容纳大电流。考虑这些电感器已插入扬声器线路，因此它们不得影响这些线路中的信号。
　　金属电感由金属磁性材料制成。它们可以容纳大电流；但是，THD+N值随着输出功率的增大而增大。具有使用铁氧体的绕线屏蔽磁结构的电感器可以提供诸多优势，包括低直流电阻，Rdc和适应大电流的能力。因此，当插入扬声器时，THD+N值仅略有变化。
　　与输出功率较低的智能手机扬声器一样，在2W至20W功率的扬声器线路中添加噪声抑制滤波器将避免辐射噪声引起的音频输出任何可能的劣化。
　　同样，绕线式噪声抑制滤波器的THD+N特性与不使用滤波器的等效，谐波水平也几乎相同。这些结果清楚地表明，用绕线式噪声抑制滤波器替代了磁珠扬声器线在减少失真和改善声音质量方面非常有效（图3）。
　　

　　图3噪声抑制滤波器可有效减少失真并改善智能扬声器设计中的声音质量。资料来源：TDK
　　扬声器线路的噪声强度与频率特性的比较表明，如何降低100MHz至400MHz频带中的噪声强度。它还表明，该频带中的线绕噪声抑制滤波器的高阻抗使其适合作为D类放大器的噪声对策，可以轻松地满足CISPRB类标准并具有一定的净空（红色虚线）。