Class-D输入电路设计
Class-D 放大器的输入/预放大电路与 Class-AB 有本质差异:由于高速比较器、栅极驱动等低压需求,Class-D 必须采用低压供电的运放方案。本章系统覆盖运放选型的关键规格、差分输入电路设计、过压保护、电源旁路、共模抑制等设计要点。来源:Class-D Audio Power Amplifier Design Ch2。
1. Class-D vs Class-AB 输入电路差异
1.1 Class-AB 的传统做法
- 预放大电路通常由高压电源轨供电(与功率级共用)
- 采用分立小信号晶体管实现低成本设计
- 预放大电流极小(mA级),功耗代价可接受
- 容易找到高耐压分立器件
1.2 Class-D 的低压需求
Class-D 设计需要:
- 高速 PWM 比较器:传播延迟 <40ns 的比较器几乎全部限制在 ±7V 以下
- 低噪声运放:丰富的低压低噪声运放可选
- 数字逻辑电路:故障处理、FPGA/CPU 控制需 3.3V 或 5V 电源
- 电平转换和栅极驱动:均为低压工艺
→ 因此 Class-D 不适合采用分立预放大设计,应使用运放 IC。
2. 运放选型关键规格
2.1 关键规格(Critical)
| 序号 | 规格 | 设计要求 |
|---|---|---|
| 1 | 噪声 | 输入参考电压噪声 <5nV/√Hz,使预放噪声远小于功率级 |
| 2 | THD | 通常不是限制因素;现代音频运放已内置交越失真抑制 |
| 3 | 带宽 | ≥15MHz 即可;更高 BW/摆率有助于减小 TIM |
| 4 | 共模输入电压范围 | 确认 RRI(Rail-to-Rail Input)或非 RRI |
| 5 | CMRR | 差分放大器核心指标,越高越好 |
| 6 | 电源电压 | 须与 Class-D 可用低压轨兼容(单电源或双电源) |
| 7 | 输出摆幅 | RRO 或非 RRO,关注负载依赖关系 |
| 8 | 输出电流驱动 | 通常 ≥2kΩ 负载驱动能力 |
| 9 | 单位增益稳定性 | 大多数音频运放已满足 |
| 10 | 容性负载驱动 | 必要时加串电阻隔离 |
| 11 | 输入保护 | 输入电流限制能力(5–10mA) |
| 12 | 过驱响应 | 必须有输出相位反转保护 |
| 13 | 串扰(双/四运放) | 高频串扰(容性)+ 低频串扰(热效应);推荐使用单运放封装 |
2.2 次要规格
- 输入失调电压
- 输入偏置电流和失调电流
- 电压反馈 vs 电流反馈(CFA)
- 封装类型(单/双/四)
2.3 CMRR 详解
示例: 变化 ±5V(10V),输出变化 100μV:
PSRR(电源抑制比)随频率升高而下降 → 这就是电源旁路电容必须在高频提供低阻抗的原因。MLCC(多层陶瓷电容)因低 ESL/ESR 成为首选。
2.4 串扰分析
- 高频串扰:芯片内容性耦合,随频率增大
- 低频串扰:一个运放的功耗加热芯片局部区域,调制同芯片另一运放性能
- 设计建议:使用单运放封装,提供最佳 PCB 布局自由度
3. 参考设计输入电路分析
3.1 差分放大器配置
U1A(OPA1677)配置为差分放大器,要求以下阻容值严格匹配以获得最佳 CMRR:
- 电阻精度:0.1%(改善匹配和 CMRR)
- 电容精度:5% 可接受
3.2 增益设计
设计原则:利用运放最大输出摆幅以获得最佳信噪比。
参考设计条件:
- 模拟电源轨:±7VDC
- 运放输出摆幅:±5V(10kΩ 负载下距轨 2V)
- 最大输入信号:
差分放大器增益公式:
3.3 高频滚降设计
和 在音频频段以上衰减增益:
- 典型转折频率:100kHz
- 确保 20kHz 处增益滚降 <0.5dB
- 同时在 20kHz 以上提供噪声衰减
3.4 输入保护元件
| 元件 | 功能 |
|---|---|
| C1A, C2A | ESD 保护 + EMI 滤波,必须接机壳地(非电路地) |
| R1A, R2A + FB1A, FB2A | 衰减射频噪声拾取 |
| TVS1A, TVS2A | 瞬态电压抑制(TVS),过压钳位 |
| R3A, R4A | 设定输入阻抗(≥10kΩ)+ 限制过压时输入电流 |
4. 输入过压容限(Electrical Overstress)
4.1 运放输入电流限制
现代运放的输入电压规格通常附注脚:输入电压可超过电源轨,前提是输入电流限制在 XmA(通常 5–10mA)。
计算示例:若限流 10mA,,运放未上电(电源轨 = 0V):
4.2 未上电状态的输入信号
输入信号很少在放大器关机时断开,因此必须分析:
- 输入保护二极管在未上电时将输入信号钳位到 0V
- 输入电流通过二极管流入电源轨
- 必须确保电源轨上的负载阻抗足够低,防止电压升至不安全水平
- 必要时在电源轨上增加 TVS 钳位
4.3 TVS/ESD 保护优势
- 将 ESD 脉冲电流就近旁路到机壳
- 避免 ESD 电流流经运放本体
5. 电源旁路设计
5.1 R-C 增强滤波
参考设计不仅使用旁路电容,还采用 R-C 低通滤波器为运放电源轨提供额外噪声抑制:
R7A/C5A 和 R8A/C6A 提供 15.9kHz 低通极点。
5.2 与 PSRR 的互补关系
- 运放 PSRR 在低频很高,随频率升高而下降
- R-C 滤波器的衰减随频率升高而增大
- 两者互补:R-C 滤波器补偿运放 PSRR 的频率衰减特性
6. 共模输入电压范围
6.1 平衡 vs 非平衡输入
- 参考设计采用平衡输入连接
- 优势:噪声拾取抑制、地环路消除、高 CMRR
6.2 CM 电压容限计算
参考设计的差分放大器配置允许共模信号范围:
在最大 CM 电压 +7.818V 上叠加最大差分信号 时,运放所有节点电压仍在可工作范围内。
6.3 输入耦合
平衡输入配置允许放大器输入端直流耦合,无需 AC 耦合电容。
7. 相位设计
全信号链非反相原则:
- 误差放大器到输出的相位:反相
- 因此预放大器必须为反相,使整个信号链为非反相
- 正相信号连接 J1A-1,反相信号连接 J1A-3
- J1A-2 接机壳地(遵循 Whitlock 平衡互连标准)
8. 设计要点总结
| 设计要素 | 推荐做法 |
|---|---|
| 运放噪声 | <5nV/√Hz,使预放噪声 << 功率级噪声 |
| 差分匹配电阻 | 0.1% 精度 |
| 增益设计 | 利用运放最大输出摆幅优化 SNR |
| ESD/TVS | 接机壳地,就近旁路 |
| 过压保护 | 利用限流电阻 + TVS 钳位 |
| 电源旁路 | R-C 滤波互补 PSRR 频率特性 |
| 输入耦合 | 平衡输入可直流耦合 |
| 封装选择 | 单运放封装优于双/四封装(布局自由度、串扰) |
参考文献
- Analog Devices. (2009). Op amp CMRR. MT-042.
- Putzeys, B. (2014). The G word, or how to get your audio off the ground. EDN.
- Whitlock, B. (1995). Interconnection of balanced and unbalanced equipment. Jensen AN-003.
- Texas Instruments. (2022). OPA167x datasheet, SBOS855E.
- Macatee, S. (2002). Grounding and shielding audio devices. RaneNote 151.
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