Class-D功放详解演示幻灯片.ppt

Click to edit title style Arial Bold 32pt,Click to edit text Arial Bold 28pt,Second level Arial 24pt,Third level Arial 20pt,Fourth level Arial 16pt,Fifth level Arial 12pt,CONFIDENTIAL,*,Audio Class D Amplifier Introduction,制作：刘全,Introduction Of Class-D Amplifier,1,OUTLINE,Class-D Amplifier,的工作原理和结构,D,类放大器的失真,Compare Class-D Amplifier With Class AB,Class-D Amplifier,特徵參數的介紹和應用,Class D Amplifier,滤波器及,filter less Amplifier,Class D Amplifier,Codec&,Touch screen controller,2,OUTLINE,Class-D Audio Amplifier,的工作原理和结构特点,3,The P,rinciple,Of Class-D Amplifier,Class-D Amplifier,使用脉寬調製技術（,PWM,技術）用模拟信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。这种脉宽调制是用一个等幅三角波来对音频信号进行采样来实现（如右）。经过采样后，模拟信号的幅度信息就被转换到脉冲信号的宽度信息中去了。,图,1.,脉宽调制（,PWM,）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冲信号。,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,20KHz,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,200KHz,以上,5,右圖表明了一个,1KHz,的正弦波音频信号，经过三角波采样后的输出频谱，其中包含有很多高频分量。在,PWM,的输出后面加上一个低通滤波器，就可以滤去矩形波的高频分量。,NOTE,：低通濾波器的截止頻率,fc,大於,20KHz,，小於開關頻率。,图,2,原始信号和,PWM,输出信号以及经过低通滤波器以后的信号频谱,6,雖然,Class-D Amplifier,的工作原理都是依靠,PWM,調製技術，但在具體採樣方式和時序上，各個廠商之間卻各不相同，以,TI&PAM,為例：,右圖為,TI,廠商型號：,TPA3110D2,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載的輸出波形。,图,3 TPA3110D2,全橋輸出的波形,7,图,4 PAM8610,全橋輸出的波形,右圖為,PAM8610,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載的輸出波形。跟上圖比較可知,PAM8610,負載兩端的是半個正弦波的波形，兩者之間相位相差,180,度。而,TPA3110D2,負載兩端的波形雖然相位也相差,180,度但卻是兩個完整的正弦波。說明兩者的採樣方式和時序並不相同,8,Class-D Audio Amplifier,的基本特点和结构,Amplifiers optimized to drive low-impedance loads,Typically 4,8,16 or 32W,Amplifiers optimized for audio frequencies,20 20kHz,Amplifiers that provide features like,Volume control,Speaker and headphone drive,I2C interface,Bass boost,Small package options,9,图,5.D,类放大器的结构图,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,。,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,T,1/fT,。那么,2VTP,mT/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,，,VTP,V1R7/R8,图,6.,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,8.,半桥式和全桥式结构比较,13,Compare Class-D Amplifier With Class AB,14,Audio amplifier basic configuration,Class-AB vs.Class-D,Class-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,Triangle,Out+,Out-,Power,Ground,PGA,Comparator,V,DD,MOSFETs,PWM,Class-D amplifiers,modulates the audio signal in to a high frequency PWM signal that drives the speaker(s).,advantage:high efficiency,Class-AB requires heatsink!,15,Single-Ended Load(SE)Configuration,D/A,Converter,Digital,Input,RC,LPF,+V,DD,Analog,Input,Class-AB,SE,Power=V,RMS,2,/R,L,V,RMS,=V,PP,/2.83,=V,PP,2,/8*R,L,=0.63 W RMS Power,V,PP,V,PP,V,PP,=4.5 V max,V,RMS,=V,PP,/2,2,=1.59 V,R,L,=4,W,V,DD,=5 V,R,L,f,LOW,=1/(2,p,R,L,C,C,),C,C,Advantage:Simple,cheaper,Advantage:Simple,cheaper,16,E,fficiency,Of Class-D Amplifier,和,AB,类放大器相比，,D,类放大器有很高的效率一般在,80%,以上。由於,D,类放大器的输出级完全工作于开关状态，損耗很小只要考虑在导通时的损耗。假定负载电阻为,RL,，晶体管导通时的内阻为,Ron,，則效率為：,E,RL/(2Ron+RL),除外，偏置电流、输入电容充电、和切换电流都会降低效率，右图为,D,类放大器和,AB,类放大器在不同的输出功率时的效率,。,图,9.,D,类放大器和,AB,类放大器在不同的输出功率时的效率,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,class-D,类和,AB,类,amplifier,的效率相差那么多，可以通过计算他们的耗散功率得知如右。其中,K,为总线电压和输出电压的比值，,Psw,为开关损耗，,Pcond,为传导损耗，,Pgd,为栅极驱动损耗，,Qg,为栅极的电量，,Coss,为晶体管输出电容，,tf,为晶体管开启时间。由右图可知,class-D Amplifier,可通过,Qg,，,Coss,，,tf,和,Rds(on),等参数的控制优化得到最优的效果,图,10.,D,类放大器和,AB,类放大器的耗散功率,18,效率的不同也表现在表面温度上，图,7,表明两种放大器在不同的输出功率时的表面温度。在很多更大输出功率情况下，,AB,类,amplifier,需要采用散热器,.,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,12 Test of Class-D and ClassAB,20,D,类放大器的失真,21,Major Cause of Imperfection,Gate,Driver,PWM,Feedback,Audio,source,Dead time,Delay time,Feedback Integrator,Modulation error,Quantization error,Single-bridge/Full bridge,Filterless modulation scheme,Switch nonidealities,Finite Ron,Body diode Recovery,(EMI),Nonlinear LC,Poor PSRR,Noise coupling,POP Noise,22,THD and Dead time,Class-D,放大器根据输出波形随输入时序波形变化分为,3,个区间：,1.,输入电流从,D Amplifier,流向负载。当高端器件断开，低端器件开通之前输出节点由负,VBUS,驱动，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变化，导致了,PWM,变短；,2.,负周期工作区状况同上；,3.,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，输出仅跟随每个输入的关断沿的变化而变化,.,NOTE,：死区时间会严重影响失真，时长几十纳秒就可能导致,THD,达到,1%,以上。,图,13 THD and Dead time,23,Power Supply Pumping,另一个导致,THD,增大的原因是总线充电，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。这主要是由于,D,类,Amplifier,的增益与,Vbus,直接成比例关系，,Vbus,波动造成输出失真。由于,D,类,Amplifier,的开关时双向的，当大量,LPF,电感储存的能量回流至电源时，电源无法吸收从而导致,Vbus,上升产生波动。,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,24,EMI consideration:Qrr in Body Diode,低端器件导通体二极管有漏电流通过；,在死区区间输出,LPF,电感的感应电流会使低端二极管继续导通；,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流；,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,EMI,干扰。,25,Class-D Amplifier,特徵參數的介紹和應用,26,General Audio Amplifier Parameter,Big Three,Output Power,(ex.Rout=8ohm,THDN=1%),Bandwidth,(ex.Gain Flatness,2020kHz),SNR,:(ex.,1kHz,1Vrms FS,),Others:,THD+N,(ex.0.01%,80dBFs,A weighting Filter),POP,Efficiency,Cross-Talk For Stereo,PSRR,27,Maximum Output Power,28,Audio amplifier parameter:SNR,29,Audio amplifier parameter:THDN,30,频率响应,是指音频功放输入端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信号电压随输入信号频率变化的函数关,系。只要采样的三角波重复频率比音频信号的最高频率分量的频率高,10,倍以上,D,类放大器就可以得到很好的频率响应。所以用,250KHz,的三角波的,D,类放大器很容易得到超过,20kHz,的频率响应。,D,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（,PSSR,）就是指电源的变化反映到输出的变化之比，在线性放大器中，放大器的增益几乎完全和电源电压的变化无关。但在,D,类放大器中情况就完全不同。放大器的输出直接和电源电压有关。因为电源的纹波可以直接经过导通的晶体管加到输出负载上去。所以这时候它的,PSSR,相当于,0 dB,。这是完全不能接受的。为了提高放大器的,PSSR,，通常可以采用负反馈的方法，一般可以把,PSSR,提高到,70 dB,以上。,D,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,response,Application Of Class-D Amplifier,33,Top Trace,V,DD,GND,Bottom Trace,heat,Heat 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,.,34,Class D Amplifier,滤波器及,filter less Amplifier,35,喇叭阻抗,会随着信号频率的升高而升高，这是由喇叭自身电感和分布电容产生自谐振,引起的。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加一个滤波器。,高频时，负载呈现电容性，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。这时候它就变成了一个二阶低通滤波器,如右,.,图,17.,二阶低通滤波器,36,无滤波器,D,类放大器,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感，可以直接把,PWM,的信号加到喇叭，由其音圈电感去滤掉高频脉冲,。,但是如果直接把,PWM,信号加到喇叭，会发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,2001,年提出了无滤波器的,D,类放大器的专利。它采用两个相位差,180,度的三角波来对信号采样，分别供给桥式的两个输出级,.,这样，在没有信号的时候，负载两端的脉冲波是同相的，没有电流流过负载，也就不可能有过大的静态电流。,图,18.,TI,的无滤波器调制方案,37,Filter-less Class D Amplifier Topology,38,Filter-less Waveform,39,Emulation Result(I),40,Emulation Result(II),41,Class D Amplifier,Codec&,Touch screen controller,42,圖,19 Basic Block Diagram,Headphone,Speaker,PLL,Audio Bus,Control Bus,Inputs,A,D,C,DAC,Volume,Control,Equalizer,Audio Effects,3D,Mixer,DifferentialorSingle-Ended,DifferentialorSingle-Ended,Inputs,LDO,Codec =ADC+DAC+,Effects process+system clock generator,+control,43,ADC-DAC,Architecture,The primary architecture used in audio application,is,type,ADC,Single-end,Differential,converter,N-order,Delta-sigma,modulator,Anti-alias,filter,serial data,interface,Digital,output,Decimation,Filter,DAC,Volume,effect,Interface,Modulator,N,-order,X8fs,Digital,Filter,R,-C,LPF,Digital,input,Vout L,Vout R,DAC,Analog,input,44,Audio Master Clock Generation,Highly 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.,45,Integrated input AGC function,:,Keep constant output signal amplitude when recording speech signals,Keep output constant,46,Digital audio processing,:,Give you the desired good sound effect,Also can be done in ADC path,47,Flexible Input signals MUX/MIX function,:,Give you the utmost selection,48,Output 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 4,th,-order,8-level,x64fs Delta-Sigma modulator,In band,fs/2,Out band,x64fs,x128fs,x64fs,8-level Quantizer,Out of-noise,Application consideration,:,50,Out of-noise,A,B,A:without post-filter,B:post-filter used,51,A,pplication consideration-interface format,I2S,-Justified,DSP-,Justified,52,Application consideration-clock,Audio 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,.,53,Thank You,54,