如何选择D类音频放大器(数字功率放大器)

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1 简介

多年来，音频内容一直在不断发展。从当地唱片店购买 12 英寸 LP 黑胶唱片的时代已经成为过去，现在我们通过流式传输几乎可即时播放云端的任何内容。虽然一些音频爱好者会为了获得新奇体验而重拾黑胶唱片，但今天绝大多数的音频都是以数字方式进行消费的。尽管消费者接收音频的方式发生了变化，但有一点始终未变：希望聆听的内容具有最初录制时的音质。音响系统中的音频放大器是实现这一目标的一个关键因素。由于音频放大器对最终音质影响非常大，因此了解权衡因素以及如何为设计选择合适的器件非常重要。

2 电源注意事项

3 电源

在输出功率公式中，放大器的电源电压对于输出功率而言至关重要。有些 D 类放大器使用一个电源轨，其他（双极或分离轨放大器）则使用两个幅值相同但极性相反的电源轨来放大音频信号。除此之外，内部逻辑稳压器和栅极驱动电路通常还需要一个电源轨，例如 1.8V、3.3V、5V 或 12V。一些较新的器件（如 TPA322x 系列）在内部集成了线性压降稳压器 (LDO)，从而通过主电源轨生成所需的电源轨。虽然使用内部 LDO 效率不高，但在系统中缺少必要的电源电压时，这种方法可以节省大量成本、减少设计工作量。电池供电的扬声器则是具有 LDO 的单轨电源放大器的一个很好的用例。对于电源电压很低的系统（例如，由一节电池供电），通常使用升压转换器来驱动必要的输出功率。TAS2562 等 D 类放大器甚至通过集成升压转换器，来降低系统总成本和节省空间。

4 扬声器配置

5 性能

系统的整体音质取决于“最薄弱的环节”。这涉及到方方面面，从驱动器的质量到数模转换器 (DAC) 的采样率，不一而足。在评估放大器的性能时，首先要了解的主要规格之一是 THD+N。这是指音频信号在放大后加入了多少谐波失真或泛音以及噪声。换句话说，该规格可以测量放大后的信号对原始信号的“忠实”程度，THD+N 越低越好。由于 THD+N 随输出功率水平和频率的变化而变化，因此，在没有图表的情况下，引用设备的 THD+N 的常见方法是：在 1kHz 的频率下使用特定的输出功率水平和负载。例如，0.02% THD+N（4Ω 的负载，功率为 1W，使用 1kHz 信号）。请参见表 5-1 中来自 TPA3251 数据表的示例。

表 5-1. TPA3251 数据表中的 THD+N

6 效率

音频系统最关注的效率问题之一包括空闲功率损耗也可以称之为静态损耗。这是指在没有播放音频但处于随时可以播放的状态时，音频放大器所消耗的功率。这对于电池供电的应用尤其重要，因为只要设备处于开启状态，即使用户没有主动播放音频，也仍会消耗电池电量。有时，数据表中会明确指出不同配置的空闲功耗，有时则必须通过其他值计算得出。功率是电压和电流的乘积，因此可以通过将放大器中的相应电压和空闲电流相乘，然后将这些乘积相加，来计算总空闲功耗。在有 LDO 或升压转换器的情况下，由于在整个音频系统中还需要考虑额外的损耗，因此计算可能会变得更加复杂。有关 TPA3221 上不同调制方案的空闲电流图示例，请参见图 6-2。

7 调制

8 反馈

除了内部反馈环路外，某些器件还支持使用在放大器外部创建的反馈环路来进一步增强性能。这称为后置滤波器反馈环路。有关这方面的更多信息，请查看《TPA324x 和 TPA325x 后置滤波器反馈》应用手册。

9 保护

10 输入

数字输入格式多种多样，但常见的格式有 IC 间音频 (I2S)、时分多路复用 (TDM)、脉冲密度调制 (PDM) 和SoundWire。其中最常见的是 I2S，该格式具有通用标准，而 TDM 等其他格式的标准则可能会存在差异。不同格式对数据传输和数据时钟的处理方式不同，例如，有些格式会更适用于具有多个源的系统。

模拟输入放大器虽然稍微简单一些，但仍然具有不同的选项。模拟输入可以采用单端或差分信号的形式。差分输入使用两个引脚来接收高电平 (+) 和低电平 (-) 信号。然后，差分信号便取两个输入之间的差值，这样便可抵消两个引脚上的任何公共电压。这可以有效地降低施加在两个信号上的任何 EMI 或噪声。而单端输入只有一个输入引脚和一个公共引脚，因此更容易将 EMI 和噪声传递到放大级。

11 高级特性