“水電柔、火電暖、核電硬……” 在不少發燒友的觀念里，打造HiFi音頻系統仿佛是一門玄學。但實際上，音樂從文件打開到喇叭播放的整個流程，不僅不是玄學，反而是一門精密嚴謹的科學。

音頻的播放可以大致概括為以下三步：輸入-放大-播放。不難看出，音頻信號的放大在整個流程中發揮著重要的作用，這一步通常交由音頻放大器完成。音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發聲輸出元件上重新產生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率范圍約為20 Hz～20 kHz，音頻放大器應具有良好的頻率響應性能，以便忠實地再現聲音和音樂。為了在成本可控的情況下實現低失真、低噪聲以及較好音質的輸出，工程師需要全方位設計調教音頻放大器電路。

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音頻放大器選擇題？最后答案都選“D”

按照類型的不同，音頻放大器可以分為：A類、AB類、B類和D類。在采用CMOS管的放大器拓撲結構中，A類使用一只晶體管作為直流電流源，能夠提供揚聲器需要的最大音頻電流。A類放大器輸出級可以提供優良的音質，但功耗非常大，因為通常有很大的DC偏置電流流過輸出級晶體管；B類放大器其輸出晶體管是以推拉方式獨立控制，從而允許高端晶體管為揚聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負電流。由于只有信號電流流過晶體管，因而減少了輸出級功耗。但是由于交越失真的緣故，B類放大器電路的音質較差；AB類放大器是A類放大器和B類放大器的組合折衷，它也使用DC偏置電流，但它遠小于單純的A類放大器。小的DC偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質。

但不管是以上哪種方案，都存在功耗大、效率低的問題，即使是B類音頻放大器的效率也僅在28%左右，這意味著1 W的平均PLOAD需要2.53 W的B類放大器驅動，這對散熱、尺寸、封裝等因素都會產生不利的影響。面對寬的輸出功率范圍，理論效率可達100%的D類放大器極具低功耗優勢，即使實際效率只達到80%，D類放大器輸出級耗費的電源電流也僅是B類放大器的1/2.8，是A類放大器的1/23.6。

A類、B類放大器和D類放大器輸出級的功耗比較

高效轉換的背后，是因為D類放大器由于具有不同的拓撲結構，可以簡單地描述為開關放大器或脈寬調制（PWM） 放大器，其輸出級在正電源和負電源之間切換從而產生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因為當輸出晶體管在不導通時具有零電流，并且在導通時具有很低的VDS，因而產生較小的功耗LDS×VDS。

基本D類放大器的信號流程

巧用電流監控電路進一步提升音質

雖然利用D類放大器的低功耗優點有力推動其音頻應用，但某些技術仍能改善音頻質量，例如使用反饋和預失真機制。在反饋機制中，輸出信號（通常來自濾波器）被送至輸入端的誤差校正模塊。誤差校正模塊可以是全模擬式，或者采用數字處理故意使音頻信號預失真，從而校正輸出瑕疵并改善音頻輸出質量。除了揚聲器的固有非線性之外，揚聲器阻抗因為溫度和老化而變化的趨向也可能引起這種瑕疵。

使用反饋機制的基本D類放大器

電流監控電路可以獲取要反饋的數據進行誤差校正。電流監控電路廣泛用于各種儀器儀表領域，以便實現保護、補償和控制，電流監控的常見應用有電池監控系統、電機控制、過流保護和4 mA至20 mA系統，在音頻等商業應用中也很有用。此類應用之一是監控音頻放大器輸出到揚聲器的電流，以便提供音質補償和保護。選擇適合這種用途的器件存在挑戰，這種挑戰在于器件必須足夠魯棒以便接收音頻放大器輸出端的高壓脈沖。

ADI公司提供的精密差動放大器AD8479可以滿足這一要求，即使存在高達±600 V的共模電壓，它也能精確測量差分信號。下圖所示的輸入共模電壓與輸出電壓的關系曲線表明了這種能力。它具有以下特性：低失調電壓、低失調電壓漂移、低增益誤差漂移、出色的共模抑制比（CMRR）和寬頻率范圍。在本應用筆記中，AD8479配置為高端電流檢測放大器，用于監控D類音頻放大器的電流。AD8479同時具有130 kHz的帶寬，可滿足音頻應用的帶寬需求。

AD8479輸入共模電壓與輸出電壓（VOUT）的關系

為了達成低失調、低噪聲的目的，電流監控電路中還加入了ADA4805-1，這是一款低輸入失調電壓和低輸入失調電壓漂移軌到軌放大器。ADA4805-1的增益設置為10，產生的輸出電壓通常在下一級的輸入電壓范圍內。下一級通常使用逐次逼近型（SAR） ADC來處理音頻信號。AD8479輸出饋送到ADA4805-1輸入，后者用作ADC驅動器，增益為10。電阻容差應較低，以免電路產生較大失調漂移。

在使用配置±50 V電源電壓，提供1 kHz正弦輸出，可擴展輸出功率從25 W到500 W的D類功率放大器情況下，流經檢測電阻（RSENSE）的電流為4.74 A，產生475.71 mV峰值的滿量程電壓。共模電壓為37.9 V峰值。

電流監控的主要誤差源分析

CMRR表示器件抑制各輸入端共模干擾信號的能力。數學上，它指共模增益變化與差分增益之比。如果存在高共模電壓，尤其是當測量小差分信號時，此參數常常是最大的誤差貢獻因素之一。CMRR產生一個對應的輸出失調電壓誤差，該誤差是系統總誤差的一部分。AD8479的額定CMRR為96 dB。另一個誤差源是失調電壓。滿量程信號越小，失調電壓貢獻的誤差越大。

AD8479的輸入失調電壓為1 mV，轉換為ppm時，貢獻滿量程（FS）的2102 ppm。ADA4805-1引入125 μV失調電壓，其乘以增益10，故而失調電壓引起的總誤差為滿量程（FS）的3352 ppm。此外，數據手冊顯示AD8479具有0.02% FS的增益誤差，因而AD8479給電路帶來的誤差為200 ppm FS。

表1和表2分別匯總了AD8479和ADA4805-1的主要誤差源。 AD8479失調電壓貢獻的誤差最大，在37.9 V輸入共模電壓 下，其為2102 ppm FS。共模電壓貢獻的誤差為1262 ppm FS。

實時監控不僅需要高精度器件，還要求快速響應，以便應對目標電流的突然變化。輸出信號的變化速度必須跟得上輸入信號的變化速度，這就需要在很短的時間內正確解讀揚聲器的電氣狀態，甚至短路事件。下圖顯示了輸入和輸出響應與時間的關系，給出了輸入信號的上升時間以及AD8479和ADA4805-1的輸出。

顯示相位響應的實測電壓

小結

憑借小尺寸、高效率、發熱量小等多個優勢，如今D類放大器已經在市面上大部分有源音箱中得到應用，其高保真特性也得到了音頻發燒友的一致認可。能夠提供精準測量的的電流監控電路無疑能為D類放大器錦上添花。AD8479的高輸入共模電壓范圍為測量D類音頻放大器的典型信號輸出提供了必要的條件。此外， AD8479和ADA4805-1具有充足的帶寬來滿足音頻頻段的工作要求。這些因素加上出色的失調、增益和CMRR特性，能夠更科學的構建一個強大的音頻系統。