雖然許多MCU的功能和復(fù)雜性可以支持基本的音頻處理功能，并允許它們執(zhí)行音頻記錄/回放等任務(wù)，管理MP3數(shù)字音樂流，并提供基本的警報(bào)聲，有時(shí)設(shè)計(jì)需要升級(jí)到更強(qiáng)大的音頻性能，這可以通過數(shù)字音頻架構(gòu)實(shí)現(xiàn)采用D類放大器。

當(dāng)固態(tài)音頻放大器在60年代后期開始進(jìn)入消費(fèi)者的高保真音響市場(chǎng)時(shí)，音響發(fā)燒友立即開始抱怨他們聽起來不像電子管放大器那么好。我當(dāng)時(shí)是一名音頻技師，他知道最好的固態(tài)放大器的總諧波失真（THD）低于最好的電子管放大器。我們當(dāng)時(shí)并不知道瞬態(tài)互調(diào)失真（TIM），這在早期的固態(tài)放大器中確實(shí)更糟。這個(gè)問題可以說已經(jīng)被淘汰了，但不要說是管愛好者。

那些早期的固態(tài)立體聲系統(tǒng)具有AB類輸出級(jí)?？梢酝ㄟ^簡(jiǎn)單的LC濾波器將一個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)推入揚(yáng)聲器的D類能真正為您提供高質(zhì)量的音頻嗎？令人驚訝的是，答案是肯定的。

具有類別的放大器

不同類別的放大器反映了效率，功率和失真之間的不同折衷：

A類放大器（圖1）在整個(gè)輸入周期內(nèi)導(dǎo)通，使其具有高線性和極低效率即使沒有信號(hào)，它們也能吸收電流。通過電感耦合，A類放大器可以達(dá)到50％的效率;通過電容耦合，它們只能達(dá)到25％。 A類放大器使用單個(gè)器件，因此交叉失真沒有問題。運(yùn)算放大器通常是A類放大器，大多數(shù)商用音頻放大器的增益級(jí)也是如此。

圖1：A類放大器。

B類放大器僅放大輸入波形的一半，因此它們通常在推挽式布局中實(shí)現(xiàn)為互補(bǔ)對(duì)（圖2）。由于輸出設(shè)備很少完全匹配，因此會(huì)產(chǎn)生交叉失真。通過偏置晶體管可以減少交叉失真，使得非導(dǎo)通晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)完全關(guān)閉，稱為AB類操作，犧牲了一些效率以獲得更大的線性度。 AB類放大器可實(shí)現(xiàn)60％至65％的效率和良好的線性度。安森美半導(dǎo)體的NCS2211可以以0.2％THD + N為8Ω揚(yáng)聲器提供1 W輸出。

圖2：推挽B類放大器。

C類放大器的效率可達(dá)90％，但非線性，因?yàn)樗鼈冊(cè)诓坏揭话氲男盘?hào)周期內(nèi)導(dǎo)通（圖3）。 RF放大器通常以C類運(yùn)行，但幾乎總是饋送調(diào)諧電路，以諧振頻率平滑波形。但是，通常需要進(jìn)一步濾波以消除諧波和其他雜散輻射。

圖3：C類放大器。

D類放大器由開關(guān)功率放大器架構(gòu)組成，利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）產(chǎn)生輸出波形;在音頻應(yīng)用中，它們的輸出然后通過LC濾波器饋送，以在被饋送到揚(yáng)聲器或其他輸出設(shè)備之前將其轉(zhuǎn)換回模擬形式。圖4顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的D類信號(hào)圖。

圖4：D類功率放大器信號(hào)圖（由Silicon Labs提供）。

D類輸出級(jí)通常由一對(duì)廉價(jià)的MOSFET組成，這些MOSFET在任何給定時(shí)間都可以完全開啟或完全關(guān)閉。由于MOSFET在接通時(shí)具有非常低的內(nèi)部電阻，因此輸出級(jí)非常高效，使得高功率放大器比同等的AB類設(shè)計(jì)更加緊湊。 D類放大器在高功率水平下可實(shí)現(xiàn)超過90％的效率，可實(shí)現(xiàn)比同類AB類設(shè)計(jì)所需的更小的散熱片，電源和PCB空間，這在便攜式應(yīng)用中尤為重要。這是個(gè)好消息。壞消息，或者至少是抬頭，低失真模擬D類放大器設(shè)計(jì)起來并不簡(jiǎn)單。幸運(yùn)的是，有許多解決該問題的現(xiàn)成解決方案，以及一些非常適合與傳統(tǒng)的D類功率放大器配合使用的MCU。

D-tails中的魔鬼

與直接模擬A類/AB類信號(hào)鏈相比，使用D類輸出級(jí)的任何音頻設(shè)備必須首先將輸入信號(hào)數(shù)字化，因此產(chǎn)生多個(gè)來源音頻被放大之前的失真：

采樣率：數(shù)字信號(hào)不能包含高于采樣（奈奎斯特）速率一半的頻率，否則會(huì)出現(xiàn)混疊，導(dǎo)致信息丟失。 CD質(zhì)量聲音以44.1 kHz采樣，可以再現(xiàn)高達(dá)22 kHz的聲音。

PWM切換速率：這應(yīng)該比最高輸入頻率快至少10倍，以便精確地重建輸入信號(hào)。

PWM分辨率控制：需要高分辨率控制來減少輸出量化失真。

在D類放大器的輸出端使用簡(jiǎn)單的LC濾波器可能看起來像DAC的原始替代品，其次是模擬重建濾波器，它是;但是當(dāng)你處理10到100 W +范圍內(nèi)的放大器時(shí)，沒有任何明顯的選擇。話雖如此，使用一些簡(jiǎn)單的電路可以獲得非常令人滿意的結(jié)果。

Silicon Labs D類工具箱套件是一款基于USB的演示和評(píng)估套件，允許開發(fā)人員使用SiM3U164（一種基于ARM Cortex-M3的MCU，兩個(gè)12位）為32位嵌入式設(shè)計(jì)添加數(shù)字D類音頻功能。位ADC，兩個(gè)10位DAC，高達(dá)80 MHz的精細(xì)頻率分辨率和擴(kuò)頻模式，可降低EMI。 D類放大器級(jí)的輸出網(wǎng)絡(luò)（圖5）由鐵氧體磁珠，LC濾波器和接地電容組成。鐵氧體磁珠消散了EMI噪聲作為熱量，LC元件濾除了PWM噪聲，接地電容和揚(yáng)聲器（另一個(gè)LC網(wǎng)絡(luò)）的組合提供了額外的濾波。元件參數(shù)隨信號(hào)量，帶寬，噪聲諧波以及低音量和高音量的嘶嘶聲而變化。

圖5：D類工具欄輸出網(wǎng)絡(luò)（由Silicon Labs提供）。

Silicon Labs還提供完整的D類參考設(shè)計(jì)，一種基于Si8241 D類音頻驅(qū)動(dòng)器的雙通道，雙態(tài)，半橋D類音頻放大器（圖6）。 Si8241包括兩個(gè)高/低側(cè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)集成的死區(qū)時(shí)間發(fā)生器，可提供精確控制以實(shí)現(xiàn)最佳THD。使用與上述相同的基本輸出電路，該立體聲放大器可將每通道120 W的功率提供至8Ω，同時(shí)在60 W和》 95 dB SNR時(shí)實(shí)現(xiàn)《0.02％的THD。這與我們之前討論的AB類放大器一樣好或更好。

圖6：基于Si824x的D類音頻驅(qū)動(dòng)器框圖（由Silicon Labs提供）。

其他D類選項(xiàng)

恩智浦TFA9881 D類音頻放大器面向便攜式應(yīng)用。 TFA9881接收過采樣脈沖密度調(diào)制（PDM）比特流，采用二階閉環(huán)架構(gòu)，提供高質(zhì)量音頻以及高電源電壓紋波抑制。音頻輸出的額定功率為2.7 W，4Ω/20μH負(fù)載，THD為1％。

德州儀器公司還提供其TPA2025D1 D類音頻功率放大器。 TPA2025D1包括電池跟蹤AGC技術(shù)和集成的G類升壓轉(zhuǎn)換器，可在低輸出功率下提高效率。它驅(qū)動(dòng)高達(dá)1.9 W的8Ω揚(yáng)聲器，THD + N為1％。

需要環(huán)繞聲嗎？ TI的LM48901四類D類空間陣列為便攜式多媒體設(shè)備創(chuàng)建了增強(qiáng)的聲場(chǎng)。 LM48901的18位立體聲差分輸入ADC處理模擬立體聲信號(hào);其D類輸出級(jí)利用TI的邊沿速率控制（ERC）架構(gòu)，在保持音頻質(zhì)量和效率的同時(shí)減少射頻輻射。 LM48901可為4Ω負(fù)載提供2.8 W/通道連續(xù)輸出功率，THD + N 《10％。

Cirrus Logic采用靈活的CS35L01高效混合D類音頻放大器。標(biāo)準(zhǔn)D類（SD）模式提供全音頻帶寬和高音頻性能;混合D類（HD）模式通過集成的H類控制器大大降低了空閑功耗（G類和H類使用“軌道切換”來降低功耗并提高效率，這些放大器提供多個(gè)不同電壓的電源軌并切換它們之間隨著信號(hào)輸出接近每個(gè)電平，從而減少輸出晶體管處的浪費(fèi)功率）。降低頻率等級(jí)D（FSD）模式可降低輸出開關(guān)頻率，從而產(chǎn)生較低的電磁干擾（EMI）;和降低頻率混合D類（FHD）模式可以產(chǎn)生較低的HD模式空閑功耗和FSD模式降低的EMI優(yōu)勢(shì)。在SD和HD模式下，芯片的額定功率為1 W，THD + N為0.02％。 Cirrus Logic還為CS35L01提供參考設(shè)計(jì)。