ClassD功放详解专题培训课件

Class-D功放功放详解解OUTLINEClass-D Amplifier 的工作原理和结构的工作原理和结构D类放大器的失真类放大器的失真 Compare Class-D Amplifier With Class ABClass-D Amplifier 特徵參數的介紹和應用特徵參數的介紹和應用Class D Amplifier滤波器及滤波器及filter less Amplifier Class D Amplifier Codec&Touch screen controller2OUTLINEClass-D Audio Amplifier 的工作原理和结构特点的工作原理和结构特点3The Principle Of Class-D Amplifier Class-D Amplifier使用使用脉寬調製技術（脉寬調製技術（PWM技術）技術）用模用模拟信号的幅度来信号的幅度来调制制一系列矩形脉冲的一系列矩形脉冲的宽度。度。这种脉种脉宽调制是用一个等制是用一个等幅三角波来幅三角波来对音音频信号信号进行采行采样来来实现（如右）。（如右）。经过采采样后，模后，模拟信号的幅信号的幅度信息就被度信息就被转换到脉冲信到脉冲信号的号的宽度信息中去了。度信息中去了。图图1.脉宽调制（脉宽调制（PWM）的原理图）的原理图 4 這樣模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉這樣模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。冲信号。優點：優點：1.原来的模拟信号包含在脉冲信号的宽度之中，則放大時原来的模拟信号包含在脉冲信号的宽度之中，則放大時晶体管的非线性引起的幅度失真不会引起信号的失真晶体管的非线性引起的幅度失真不会引起信号的失真。2.晶體管可以工作在開關狀態，在開關狀態的晶體管工作晶體管可以工作在開關狀態，在開關狀態的晶體管工作效率很高，且可以提供更高的功率。效率很高，且可以提供更高的功率。NOTE：为了不失真地放大最高频率分量为：为了不失真地放大最高频率分量为20KHz的音频信号，三角波的重复频率最好在十倍的音频信号，三角波的重复频率最好在十倍音频的最高频率分量，也就是音频的最高频率分量，也就是200KHz以上以上5 右圖表明了一个右圖表明了一个1KHz的正的正弦波音频信号，经过三角波弦波音频信号，经过三角波采样后的输出频谱，其中包采样后的输出频谱，其中包含有很多高频分量。在含有很多高频分量。在PWM的输出后面加上一个的输出后面加上一个低通滤波器，就可以滤去矩低通滤波器，就可以滤去矩形波的高频分量。形波的高频分量。NOTE：低通濾波器的截止頻率：低通濾波器的截止頻率fc大於大於20KHz，小於開關頻率。，小於開關頻率。图图2 原始信号和原始信号和PWM输出信号以及经过输出信号以及经过低通滤波器以后的信号频谱低通滤波器以后的信号频谱 6 雖然雖然Class-D Amplifier 的工作的工作原理都是依靠原理都是依靠PWM調製技術，但調製技術，但在具體採樣方式和時序上，各個在具體採樣方式和時序上，各個廠商之間卻各不相同，以廠商之間卻各不相同，以TI&PAM為例：為例：右圖為右圖為TI廠商型號：廠商型號：TPA3110D2全橋輸出的波形。黃色曲綫和藍全橋輸出的波形。黃色曲綫和藍色曲綫分別為負載兩端對地的波色曲綫分別為負載兩端對地的波形，紅色曲綫為黃色曲綫與藍色形，紅色曲綫為黃色曲綫與藍色曲綫做減法運算得到的波形即負曲綫做減法運算得到的波形即負載的輸出波形。載的輸出波形。图图3 TPA3110D2全橋輸出的波形全橋輸出的波形7图图4 PAM8610全橋輸出的波形全橋輸出的波形 右圖為右圖為PAM8610全橋輸出的波形，全橋輸出的波形，黃色曲綫和藍色曲綫分別為負載黃色曲綫和藍色曲綫分別為負載兩端對地的波形，紅色曲綫為黃兩端對地的波形，紅色曲綫為黃色曲綫與藍色曲綫做減法運算得色曲綫與藍色曲綫做減法運算得到的波形即負載的輸出波形。跟到的波形即負載的輸出波形。跟上圖比較可知上圖比較可知PAM8610負載兩端負載兩端的是半個正弦波的波形，兩者之的是半個正弦波的波形，兩者之間相位相差間相位相差180度。而度。而TPA3110D2負載兩端的波形雖然負載兩端的波形雖然相位也相差相位也相差180度但卻是兩個完度但卻是兩個完整的正弦波。說明兩者的採樣方整的正弦波。說明兩者的採樣方式和時序並不相同式和時序並不相同8Class-D Audio Amplifier 的基本特点和结构的基本特点和结构Amplifiers optimized to drive low-impedance loadsTypically 4,8,16 or 32WAmplifiers optimized for audio frequencies20 20kHzAmplifiers that provide features likeVolume controlSpeaker and headphone driveI2C interfaceBass boostSmall package options9图图5.D类放大器的结构图类放大器的结构图 最简单的最简单的PWM就是一个比较器，它的一端输入原始要放大的信号，另一端就是一个比较器，它的一端输入原始要放大的信号，另一端就输入一个高频三角波。在这个比较器的输出就是一个脉宽被调制的矩形波。就输入一个高频三角波。在这个比较器的输出就是一个脉宽被调制的矩形波。这个矩形波就直接加到一对互补晶体管进行放大这个矩形波就直接加到一对互补晶体管进行放大。NOTE：采用负反馈回路可降低失真，最简单的方式：直接从输出端经过RF反馈到输入端。10三角波可以采用如右图的方式来产生。比较器输出的电压为V1和V1。当输出电压为V1时，三角波以m=V1/R6C4的斜率增长。假定三角波的峰值幅度为从VTP到VTP。再假定三角波的周期为T1/fT。那么2VTPmT/2=V1/2fTR6C4。比较器在其非倒相输入端的电压达到0时，切换其状态。这发生于V1/R8=VTP/R7。所以，三角波的频率就等于fT=R8/4R6R7C4，VTPV1R7/R8图图6.三角波发生器三角波发生器 NOTE：积分电路的输出电压与输入电压的积分成反比关系，所以阶跃信号输入积分电路后会输出一个比例函数的波形。11按拓扑结构分Class-D类Amplifier可分为半桥和全桥结构。全桥式特点就是信号的正半周时，左边上面的和右边下面的晶体管导通，负载电流从左流向右；而当信号进入负半周时，右边上面和左边下面晶体管导通，负载中的电流从右流向左。这样相当于把电源电压提高了一倍。即可用增加晶体管数量而不用提高电源电压的方法就可以提高输出功率。图7.全橋式桥式输出的D类放大器 12图图8.半桥式和全桥式结构比较半桥式和全桥式结构比较13Compare Class-D Amplifier With Class AB14Audio amplifier basic configuration Class-AB vs.Class-DClass-AB amplifiers use the same push-pull architecture as class-B,but active devices are biased on with a small quiescent current when Vin=0.advantage:excellent linearity disadvantage:poor efficiency TriangleOut+Out-PowerGroundPGAComparatorVDDMOSFETsPWMClass-D amplifiers modulates the audio signal in to a high frequency PWM signal that drives the speaker(s).advantage:high efficiencyClass-AB requires heatsink!15Single-Ended Load(SE)ConfigurationD/AConverterDigitalInputRCLPF+VDDAnalogInputClass-ABSEPower=VRMS2/RL,VRMS=VPP/2.83=VPP 2/8*RL=0.63 W RMS PowerVPPVPPVPP=4.5 V maxVRMS=VPP/2 2=1.59 VRL=4 W WVDD=5 VRLfLOW=1/(2 p pRL CC)CCAdvantage:Simple,cheaperAdvantage:Simple,cheaper16Efficiency Of Class-D Amplifier 和和AB类放大器相比，类放大器相比，D类类放大器有很高的效率一般在放大器有很高的效率一般在80%以上。由於以上。由於D类放大器的输出级类放大器的输出级完全工作于开关状态，損耗很小完全工作于开关状态，損耗很小只要考虑在导通时的损耗。假定只要考虑在导通时的损耗。假定负载电阻为负载电阻为RL，晶体管导通时的，晶体管导通时的内阻为内阻为Ron，則效率為：，則效率為：ERL/(2Ron+RL)除外，偏置电流、输入电容充除外，偏置电流、输入电容充电、和切换电流都会降低效率，电、和切换电流都会降低效率，右图为右图为D类放大器和类放大器和AB类放大器类放大器在不同的输出功率时的效率在不同的输出功率时的效率。图9.D类放大器和类放大器和AB类放大器在不同的类放大器在不同的输出功率时的效率输出功率时的效率 NOTE：图上为效率是在输入为正弦波的情况下测出的，而在实际的音乐条件下，效率就没有那么高（75%左右），但依然要远高于AB类amplifier（是Class-AB類的2.54倍）。17 为什么为什么class-D类和类和AB类类amplifier的效率相差那的效率相差那么多，可以通过计算他们么多，可以通过计算他们的耗散功率得知如右。其的耗散功率得知如右。其中中K为总线电压和输出电压为总线电压和输出电压的比值，的比值，Psw为开关损耗，为开关损耗，Pcond为传导损耗，为传导损耗，Pgd为栅极驱动损耗，为栅极驱动损耗，Qg为栅为栅极的电量，极的电量，Coss为晶体管为晶体管输出电容，输出电容，tf为晶体管开启为晶体管开启时间。由右图可知时间。由右图可知class-D Amplifier可通过可通过Qg，Coss，tf和和Rds(on)等参等参数的控制优化得到最优的数的控制优化得到最优的效果效果图10.D类放大器和类放大器和AB类放大器的耗散功率类放大器的耗散功率18 效率的不同也表现效率的不同也表现在表面温度上，图在表面温度上，图7表明表明两种放大器在不同的输两种放大器在不同的输出功率时的表面温度。出功率时的表面温度。在很多更大输出功率情在很多更大输出功率情况下，况下，AB类类amplifier需需要采用散热器要采用散热器.图11.D类放大器和AB类放大器在不同的输出功率时的表面温度19圖圖12 Test of Class-D and ClassAB20 D类放大器的失真类放大器的失真 21Major Cause of ImperfectionGate DriverPWMFeedbackAudio sourceDead timeDelay timeFeedback IntegratorModulation errorQuantization errorSingle-bridge/Full bridgeFilterless modulation schemeSwitch nonidealitiesFinite RonBody diode Recovery(EMI)Nonlinear LCPoor PSRRNoise couplingPOP Noise22THD and Dead time Class-D放大器根据输出波形随输放大器根据输出波形随输入时序波形变化分为入时序波形变化分为3个区间：个区间：1.输入电流从输入电流从D Amplifier流向负流向负载。当高端器件断开，低端器件载。当高端器件断开，低端器件开通之前输出节点由负开通之前输出节点由负VBUS驱动，驱动，与低端开通时序无关，因此输出与低端开通时序无关，因此输出波形只随高端输入时序的变化而波形只随高端输入时序的变化而变化，导致了变化，导致了PWM变短；变短；2.负周期工作区状况同上；负周期工作区状况同上；3.这一区间处于上述两区间之间，这一区间处于上述两区间之间，输入时序波形与死区时间无关，输入时序波形与死区时间无关，输出仅跟随每个输入的关断沿的输出仅跟随每个输入的关断沿的变化而变化变化而变化.NOTE：死区时间会严重影响失真，时长：死区时间会严重影响失真，时长几十纳秒就可能导致几十纳秒就可能导致THD达到达到1%以上。以上。图图13 THD and Dead time23Power Supply Pumping另一个导致另一个导致THD增大的原因是总增大的原因是总线充电，可以在半桥拓扑向负载提线充电，可以在半桥拓扑向负载提供低频的输出信号时观察到如右。供低频的输出信号时观察到如右。这主要是由于这主要是由于D类类Amplifier的增益的增益与与Vbus直接成比例关系，直接成比例关系，Vbus波波动造成输出失真。由于动造成输出失真。由于D类类Amplifier的开关时双向的，当大量的开关时双向的，当大量LPF电感储存的能量回流至电源时，电感储存的能量回流至电源时，电源无法吸收从而导致电源无法吸收从而导致Vbus上升上升产生波动。产生波动。NOTE：全桥式拓扑没有这个问题因为开关桥臂回馈的能量会被另一条桥臂吸收。图14总线通电造成的失真24EMI consideration:Qrr in Body Diode1.低端器件导通体二极管有漏电流通过；低端器件导通体二极管有漏电流通过；2.在死区区间输出在死区区间输出LPF电感的感应电流会使低电感的感应电流会使低端二极管继续导通；端二极管继续导通；3.接下来当高端器件的死区时间未开启时除非接下来当高端器件的死区时间未开启时除非储存的大量少数载流子被完全放电否则体二储存的大量少数载流子被完全放电否则体二极管会处于导通状态，会产生一反向恢复电极管会处于导通状态，会产生一反向恢复电流；流；这一电流会形成一个高频的尖峰脉冲引起杂这一电流会形成一个高频的尖峰脉冲引起杂散电感的不必要震荡，引发散电感的不必要震荡，引发EMI干扰。干扰。25Class-D Amplifier 特徵參數的介紹和應用特徵參數的介紹和應用26General Audio Amplifier ParameterBig ThreelOutput Power(ex.Rout=8ohm,THDN=1%)lBandwidth(ex.Gain Flatness,2020kHz)lSNR:(ex.1kHz,1Vrms FS)Others:lTHD+N(ex.0.01%,80dBFs,A weighting Filter)lPOPlEfficiencylCross-Talk For StereolPSRR 27Maximum Output Power 28Audio amplifier parameter:SNR29Audio amplifier parameter:THDN30 频率响应频率响应是指音频功放输入端是指音频功放输入端口输入的正弦信号电压及音量控口输入的正弦信号电压及音量控制恒定时，音频功放输出的正弦制恒定时，音频功放输出的正弦信号电压随输入信号频率变化的信号电压随输入信号频率变化的函数关函数关系。只要采样的三角波重系。只要采样的三角波重复频率比音频信号的最高频率分复频率比音频信号的最高频率分量的频率高量的频率高10倍以上倍以上D类放大器类放大器就可以得到很好的频率响应。就可以得到很好的频率响应。所以用所以用250KHz的三角波的的三角波的D类放类放大器很容易得到超过大器很容易得到超过20kHz的频的频率响应。率响应。D类放大器的频率响应类放大器的频率响应 图15.典型的D类放大器频响（上面为增益下面为相位）31 电源纹波抑制比电源纹波抑制比（PSSR）就是指电源的变化）就是指电源的变化反映到输出的变化之比，在线反映到输出的变化之比，在线性放大器中，放大器的增益几性放大器中，放大器的增益几乎完全和电源电压的变化无关。乎完全和电源电压的变化无关。但在但在D类放大器中情况就完全类放大器中情况就完全不同。放大器的输出直接和电不同。放大器的输出直接和电源电压有关。因为电源的纹波源电压有关。因为电源的纹波可以直接经过导通的晶体管加可以直接经过导通的晶体管加到输出负载上去。所以这时候到输出负载上去。所以这时候它的它的PSSR相当于相当于0 dB。这是。这是完全不能接受的。为了提高放完全不能接受的。为了提高放大器的大器的PSSR，通常可以采用，通常可以采用负反馈的方法，一般可以把负反馈的方法，一般可以把PSSR提高到提高到70 dB以上。以上。D类放大器的电源抑制比（类放大器的电源抑制比（PSSR）图16.PSRR 定义和测量 32 consideration for Input circuit:-keep balance between the differential pair inputs -meet the required frequency responseApplication Of Class-D Amplifier33Top TraceVDDGNDBottom TraceheatHeat transfer route IC PowerPad and ambient air ground plane at top layer and solid Vias ground plane at pcb bottom ambient air heat transfer/PCB layout It is a good practice to copy the EVM PCB layout as much as possible.34Class D Amplifier 滤波器及滤波器及filter less Amplifier 35 喇叭阻抗喇叭阻抗会随着信号频率的会随着信号频率的升高而升高，这是由喇叭自身电升高而升高，这是由喇叭自身电感和分布电容产生自谐振感和分布电容产生自谐振 引起的。引起的。这会导致效率降低，射频辐射严这会导致效率降低，射频辐射严重，为解决这些一般都会在输出重，为解决这些一般都会在输出加一个滤波器。加一个滤波器。高频时，负载呈高频时，负载呈现电容性，串联一个电感就可以现电容性，串联一个电感就可以改善。这个串联电感可使高频分改善。这个串联电感可使高频分量不流向负载，从而减少了辐射，量不流向负载，从而减少了辐射，也提高了效率。只用一个串联电也提高了效率。只用一个串联电感并不能有效地解决高频辐射的感并不能有效地解决高频辐射的问题。为了减小高频辐射还必须问题。为了减小高频辐射还必须再用一个并联电容，以便直接把再用一个并联电容，以便直接把射频干扰信号滤去。这时候它就射频干扰信号滤去。这时候它就变成了一个二阶低通滤波器变成了一个二阶低通滤波器 如右如右.图17.二阶低通滤波器 36无滤波器无滤波器D类放大器类放大器 有没有可能去掉采样信号后的低通滤有没有可能去掉采样信号后的低通滤波器呢？因为喇叭音圈具有很大的电波器呢？因为喇叭音圈具有很大的电感，可以直接把感，可以直接把PWM的信号加到喇叭，的信号加到喇叭，由其音圈电感去滤掉高频脉冲由其音圈电感去滤掉高频脉冲。但是但是如果直接把如果直接把PWM信号加到喇叭，会发信号加到喇叭，会发现系统的静态电流会增加很多。为了现系统的静态电流会增加很多。为了解决这一问题美国德州仪器公司在解决这一问题美国德州仪器公司在2001年提出了无滤波器的年提出了无滤波器的D类放大器类放大器的专利。它采用两个相位差的专利。它采用两个相位差180度的三度的三角波来对信号采样，分别供给桥式的角波来对信号采样，分别供给桥式的两个输出级两个输出级.这样，在没有信号的时候，这样，在没有信号的时候，负载两端的脉冲波是同相的，没有电负载两端的脉冲波是同相的，没有电流流过负载，也就不可能有过大的静流流过负载，也就不可能有过大的静态电流。态电流。图18.TI的无滤波器调制方案 37Filter-less Class D Amplifier Topology38Filter-less Waveform39Emulation Result(I)40Emulation Result(II)41Class D Amplifier Codec&Touch screen controller 42圖圖19 Basic Block DiagramHeadphoneSpeakerPLLAudio BusControl BusInputsADCDACVolumeControlEqualizerAudio Effects3DMixerDifferentialorSingle-EndedDifferentialorSingle-EndedInputsLDOCodec =ADC+DAC+Effects process+system clock generator+control 43ADC-DAC Architecture The primary architecture used in audio application is type ADC Single-endDifferential converterN-orderDelta-sigmamodulatorAnti-aliasfilter serial data interfaceDigital output Decimation Filter DACVolumeeffectInterface ModulatorN-orderX8fsDigitalFilter R-C LPFDigital inputVout LVout R DACAnalog input44Audio Master Clock GenerationAudio Master Clock GenerationHighly flexible clock generation scheme can use PLL or bypass it entirely if not needed.Design allows PLL to be used for entirely separate purpose if not needed for audio PLL can use GPIO2 as input,and output clock can be routed back off-chip for external uses through GPIO1.(AIC33 only)Also allows BCLK to be used as clock input,so MCLK not always necessary.45Integrated input AGC function:Keep constant output signal amplitude when recording speech signalsKeep output constant 46 Digital audio processing:Give you the desired good sound effectAlso can be done in ADC path47Flexible Input signals MUX/MIX function:Give you the utmost selection 48Output signal multiple paths:Any input signal can route to any output path.49*Out-of-band noise is given by combined total performance by quantization noise of delta-sigma modulator and internal LPF*Typical DAC uses 4th-order,8-level,x64fs Delta-Sigma modulator In bandfs/2Out bandx64fsx128fsx64fs8-level QuantizerOut of-noiseApplication consideration:50Out of-noiseABA:without post-filterB:post-filter used51 Application consideration-interface formatI2S-JustifiedDSP-Justified52Application consideration-clockAudio ADC/DAC Must requires a system clock for operating the digital Interpolation/decimation filter,delta-sigma modulators.It is important to use a clock source with low phase jitter and noise.There is a relationship between three clock signals:System/BCLK/LRCLK.53Thank You54