“水電柔、火電暖、核電硬……” 在不少發(fā)燒友的觀念里，打造HiFi音頻系統(tǒng)仿佛是一門(mén)玄學(xué)。但實(shí)際上，音樂(lè)從文件打開(kāi)到喇叭播放的整個(gè)流程，不僅不是玄學(xué)，反而是一門(mén)精密?chē)?yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)。

音頻的播放可以大致概括為以下三步：輸入-放大-播放。不難看出，音頻信號(hào)的放大在整個(gè)流程中發(fā)揮著重要的作用，這一步通常交由音頻放大器完成。音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產(chǎn)生真實(shí)、高效和低失真的輸入音頻信號(hào)。音頻頻率范圍約為20 Hz～20 kHz，音頻放大器應(yīng)具有良好的頻率響應(yīng)性能，以便忠實(shí)地再現(xiàn)聲音和音樂(lè)。為了在成本可控的情況下實(shí)現(xiàn)低失真、低噪聲以及較好音質(zhì)的輸出，工程師需要全方位設(shè)計(jì)調(diào)教音頻放大器電路。

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音頻放大器選擇題？最后答案都選“D”

按照類(lèi)型的不同，音頻放大器可以分為：A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)和D類(lèi)。在采用CMOS管的放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，A類(lèi)使用一只晶體管作為直流電流源，能夠提供揚(yáng)聲器需要的最大音頻電流。A類(lèi)放大器輸出級(jí)可以提供優(yōu)良的音質(zhì)，但功耗非常大，因?yàn)橥ǔＳ泻艽蟮?a target="_blank">DC偏置電流流過(guò)輸出級(jí)晶體管；B類(lèi)放大器其輸出晶體管是以推拉方式獨(dú)立控制，從而允許高端晶體管為揚(yáng)聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負(fù)電流。由于只有信號(hào)電流流過(guò)晶體管，因而減少了輸出級(jí)功耗。但是由于交越失真的緣故，B類(lèi)放大器電路的音質(zhì)較差；AB類(lèi)放大器是A類(lèi)放大器和B類(lèi)放大器的組合折衷，它也使用DC偏置電流，但它遠(yuǎn)小于單純的A類(lèi)放大器。小的DC偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質(zhì)。

但不管是以上哪種方案，都存在功耗大、效率低的問(wèn)題，即使是B類(lèi)音頻放大器的效率也僅在28%左右，這意味著1 W的平均PLOAD需要2.53 W的B類(lèi)放大器驅(qū)動(dòng)，這對(duì)散熱、尺寸、封裝等因素都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。面對(duì)寬的輸出功率范圍，理論效率可達(dá)100%的D類(lèi)放大器極具低功耗優(yōu)勢(shì)，即使實(shí)際效率只達(dá)到80%，D類(lèi)放大器輸出級(jí)耗費(fèi)的電源電流也僅是B類(lèi)放大器的1/2.8，是A類(lèi)放大器的1/23.6。

A類(lèi)、B類(lèi)放大器和D類(lèi)放大器輸出級(jí)的功耗比較

高效轉(zhuǎn)換的背后，是因?yàn)镈類(lèi)放大器由于具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)單地描述為開(kāi)關(guān)放大器或脈寬調(diào)制（PWM） 放大器，其輸出級(jí)在正電源和負(fù)電源之間切換從而產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因?yàn)楫?dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時(shí)具有零電流，并且在導(dǎo)通時(shí)具有很低的VDS，因而產(chǎn)生較小的功耗LDS×VDS。

基本D類(lèi)放大器的信號(hào)流程

巧用電流監(jiān)控電路進(jìn)一步提升音質(zhì)

雖然利用D類(lèi)放大器的低功耗優(yōu)點(diǎn)有力推動(dòng)其音頻應(yīng)用，但某些技術(shù)仍能改善音頻質(zhì)量，例如使用反饋和預(yù)失真機(jī)制。在反饋機(jī)制中，輸出信號(hào)（通常來(lái)自濾波器）被送至輸入端的誤差校正模塊。誤差校正模塊可以是全模擬式，或者采用數(shù)字處理故意使音頻信號(hào)預(yù)失真，從而校正輸出瑕疵并改善音頻輸出質(zhì)量。除了揚(yáng)聲器的固有非線性之外，揚(yáng)聲器阻抗因?yàn)闇囟群屠匣兓内呄蛞部赡芤疬@種瑕疵。

使用反饋機(jī)制的基本D類(lèi)放大器

電流監(jiān)控電路可以獲取要反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正。電流監(jiān)控電路廣泛用于各種儀器儀表領(lǐng)域，以便實(shí)現(xiàn)保護(hù)、補(bǔ)償和控制，電流監(jiān)控的常見(jiàn)應(yīng)用有電池監(jiān)控系統(tǒng)、電機(jī)控制、過(guò)流保護(hù)和4 mA至20 mA系統(tǒng)，在音頻等商業(yè)應(yīng)用中也很有用。此類(lèi)應(yīng)用之一是監(jiān)控音頻放大器輸出到揚(yáng)聲器的電流，以便提供音質(zhì)補(bǔ)償和保護(hù)。選擇適合這種用途的器件存在挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)在于器件必須足夠魯棒以便接收音頻放大器輸出端的高壓脈沖。

ADI公司提供的精密差動(dòng)放大器AD8479可以滿足這一要求，即使存在高達(dá)±600 V的共模電壓，它也能精確測(cè)量差分信號(hào)。下圖所示的輸入共模電壓與輸出電壓的關(guān)系曲線表明了這種能力。它具有以下特性：低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移、低增益誤差漂移、出色的共模抑制比（CMRR）和寬頻率范圍。在本應(yīng)用筆記中，AD8479配置為高端電流檢測(cè)放大器，用于監(jiān)控D類(lèi)音頻放大器的電流。AD8479同時(shí)具有130 kHz的帶寬，可滿足音頻應(yīng)用的帶寬需求。

AD8479輸入共模電壓與輸出電壓（VOUT）的關(guān)系

為了達(dá)成低失調(diào)、低噪聲的目的，電流監(jiān)控電路中還加入了ADA4805-1，這是一款低輸入失調(diào)電壓和低輸入失調(diào)電壓漂移軌到軌放大器。ADA4805-1的增益設(shè)置為10，產(chǎn)生的輸出電壓通常在下一級(jí)的輸入電壓范圍內(nèi)。下一級(jí)通常使用逐次逼近型（SAR） ADC來(lái)處理音頻信號(hào)。AD8479輸出饋送到ADA4805-1輸入，后者用作ADC驅(qū)動(dòng)器，增益為10。電阻容差應(yīng)較低，以免電路產(chǎn)生較大失調(diào)漂移。

在使用配置±50 V電源電壓，提供1 kHz正弦輸出，可擴(kuò)展輸出功率從25 W到500 W的D類(lèi)功率放大器情況下，流經(jīng)檢測(cè)電阻（RSENSE）的電流為4.74 A，產(chǎn)生475.71 mV峰值的滿量程電壓。共模電壓為37.9 V峰值。

電流監(jiān)控的主要誤差源分析

CMRR表示器件抑制各輸入端共模干擾信號(hào)的能力。數(shù)學(xué)上，它指共模增益變化與差分增益之比。如果存在高共模電壓，尤其是當(dāng)測(cè)量小差分信號(hào)時(shí)，此參數(shù)常常是最大的誤差貢獻(xiàn)因素之一。CMRR產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出失調(diào)電壓誤差，該誤差是系統(tǒng)總誤差的一部分。AD8479的額定CMRR為96 dB。另一個(gè)誤差源是失調(diào)電壓。滿量程信號(hào)越小，失調(diào)電壓貢獻(xiàn)的誤差越大。

AD8479的輸入失調(diào)電壓為1 mV，轉(zhuǎn)換為ppm時(shí)，貢獻(xiàn)滿量程（FS）的2102 ppm。ADA4805-1引入125 μV失調(diào)電壓，其乘以增益10，故而失調(diào)電壓引起的總誤差為滿量程（FS）的3352 ppm。此外，數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示AD8479具有0.02% FS的增益誤差，因而AD8479給電路帶來(lái)的誤差為200 ppm FS。

表1和表2分別匯總了AD8479和ADA4805-1的主要誤差源。 AD8479失調(diào)電壓貢獻(xiàn)的誤差最大，在37.9 V輸入共模電壓 下，其為2102 ppm FS。共模電壓貢獻(xiàn)的誤差為1262 ppm FS。

實(shí)時(shí)監(jiān)控不僅需要高精度器件，還要求快速響應(yīng)，以便應(yīng)對(duì)目標(biāo)電流的突然變化。輸出信號(hào)的變化速度必須跟得上輸入信號(hào)的變化速度，這就需要在很短的時(shí)間內(nèi)正確解讀揚(yáng)聲器的電氣狀態(tài)，甚至短路事件。下圖顯示了輸入和輸出響應(yīng)與時(shí)間的關(guān)系，給出了輸入信號(hào)的上升時(shí)間以及AD8479和ADA4805-1的輸出。

顯示相位響應(yīng)的實(shí)測(cè)電壓

小結(jié)

憑借小尺寸、高效率、發(fā)熱量小等多個(gè)優(yōu)勢(shì)，如今D類(lèi)放大器已經(jīng)在市面上大部分有源音箱中得到應(yīng)用，其高保真特性也得到了音頻發(fā)燒友的一致認(rèn)可。能夠提供精準(zhǔn)測(cè)量的的電流監(jiān)控電路無(wú)疑能為D類(lèi)放大器錦上添花。AD8479的高輸入共模電壓范圍為測(cè)量D類(lèi)音頻放大器的典型信號(hào)輸出提供了必要的條件。此外， AD8479和ADA4805-1具有充足的帶寬來(lái)滿足音頻頻段的工作要求。這些因素加上出色的失調(diào)、增益和CMRR特性，能夠更科學(xué)的構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的音頻系統(tǒng)。