“数字放大器”是对Class-D放大器的常见误称——绝大多数Class-D设计本质上是模拟电路,仅在特定环节利用数字电路的优势(高速、噪声免疫、低功耗)。本章讨论FPGA在Class-D中的管家功能、数字输入接口、开环前馈校正方案,以及全数字闭环放大器的关键技术——低延迟ADC。

22.1 Class-D放大器的模拟/数字边界

22.1.1 “数字放大器”的误区

数字:仅逻辑状态(高/低)和时序携带信息,绝对电压不重要。 模拟:绝对电压携带信息和噪声。

参考设计的信号路径分析:

电路段性质原因
输入→PWM比较器纯模拟音频信号为时变模拟电压
PWM比较器→栅极驱动器近似数字信息在逻辑状态和时序中,但摆率/Miller平台等为模拟问题
功率级开关节点混合看似数字(轨到轨切换),但输出完全依赖供电轨电压
LC滤波器→输出纯模拟开关电压被积分/平均为模拟输出

结论:Class-D放大器大部分是模拟电路,在可利用数字优势的环节引入数字电路。

22.2 FPGA在Class-D中的应用

FPGA可承担多项管家和控制任务:

22.2.1 使能/禁用控制

  • 监测UVLO和电压检测电路输出
  • 判断何时可安全使能功率级
  • 可加入适当延时

22.2.2 无pop声PWM启动/关断

  • 控制PWM启动脉冲序列 → 最小化可闻启动伪信号
  • 特定时间后移交控制权给反馈误差放大器
  • 关断时接收早期警告信号(电源即将崩溃)并控制PWM流
  • 部分启动/关断序列受专利保护

22.2.3 故障处理

  • 监测各故障检测电路
  • 执行动作:限制占空比、降低增益、禁用功率级
  • 故障清除后可自动重新使能

22.2.4 占空比控制

  • 强制最小/最大占空比限制
  • 自激振荡设计的关键问题:极端占空比时开关频率极低
    • 上管ON时间过长 → 自举电容放电 → UVLO → 上管关断
    • 反馈网络试图更长保持上管ON → 正反馈 → 输出严重丢失
    • FPGA强制占空比限制 → 削波(优于信号丢失)

22.2.5 削波检测

  • 固定频率设计中,已知未削波占空比范围
  • 占空比超限 → 指示削波
  • 可自动降低信号路径增益

22.3 数字信号处理(DSP)

DSP功能范围从简单的信号路由/音量控制到复杂的空间音频、回声消除等效果处理。

DSP在Class-D中的两大应用方向:

  1. 前向信号路径中的误差预校正
  2. 反馈路径中的数字化误差校正

22.4 数字输入Class-D放大器

22.4.1 支持的数字格式

格式全称
PCM脉冲编码调制
I2S集成电路间声音(Philips)
TDM时分复用
PDM脉冲密度调制
PWM脉冲宽度调制

数字输入 → DSP处理 → PWM/PDM数据流 → 驱动功率级

22.4.2 开环数字方案的PSRR问题

Class-D开关级PSRR为零。开环数字放大器无法用负反馈校正,需替代方案:

方案1:精密稳压电源

  • 精确负载调整率
  • 快速瞬态响应(防止负载突变时的电压跌落/过冲)

方案2:电源前馈校正(Putzeys, 2006b)

  • 检测供电轨扰动幅度
  • 算法直接修改PWM时序以抵消已知扰动
  • 不受稳定性判据约束(前馈非反馈)

前馈 vs 反馈:

特性反馈前馈
稳定性需满足Nyquist判据无稳定性约束
校正精度高(高环路增益)有限(固定校正量,存在单元差异)
适用场景模拟/混合方案全数字开环方案

22.4.3 开环数字方案的定位

  • 低功率数字产品
  • 牺牲超低THD+N和平坦频率响应
  • 换取小尺寸、少元件、低成本

22.5 全数字闭环Class-D放大器

22.5.1 关键技术

解决模拟输出与数字输入之间的反馈不兼容问题:

  • 低延迟高速ADC将放大器模拟输出数字化
  • DSP比较输入/输出数字数据 → 误差校正 → 驱动功率级

22.5.2 使能技术

  • 低延迟ADC(关键使能器件)
  • DSP中实现的校正算法
  • 多相架构中的集成ADC(Schinkel et al., 2017)

22.5.3 “全数字”的边界

即使在全数字闭环方案中,功率开关仍轨到轨切换,实际供电轨电压电平和噪声仍影响音频输出性能(环路增益、THD、噪声)。

参考文献

  • Andersen, J., et al. (2007). All digital high resolution Class-D amplifier designs. AES 31st Intl. Conf.
  • Bell, C., Jones, D., & Watts, R. (2007). Direct digital feedback for amplifier system control. AES 123rd Convention, Paper 7226.
  • Mouton, T., & Putzeys, B. (2009). Digital control of PWM switching amplifier with global feedback. AES 37th Intl. Conf.
  • MPS. (2024). Class-D audio with post-filter feedback using MPS Axign technology. Webinar.
  • Putzeys, B. (2003). Digital audio’s final frontier. IEEE Spectrum Magazine.
  • Putzeys, B. (2006a). All amplifiers are analogue, but some are more analogue than others. AES 120th Convention, Paper 6690.
  • Putzeys, B. (2006b). Simple, ultralow-distortion digital pulse width modulator. AES 120th Convention, Paper 6694.
  • Schinkel, D., et al. (2017). Multiphase Class-D automotive audio amplifier with integrated low-latency ADCs. IEEE JSSC, 52(12).

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