D類放大器早在1958年就被人們提出,，近年來，其應(yīng)用越來越普及,。D類放大器是什么,？它們與其它種類的放大器相比怎么樣？為什么音頻應(yīng)用鐘愛D類放大器,？設(shè)計和應(yīng)用一款優(yōu)良的D類音頻放大器需要怎么做,？下面本文嘗試回答所有這些問題。

音頻放大器基礎(chǔ)

　　音頻放大器的目標(biāo)是在產(chǎn)生聲音的輸出單元再生輸入的音頻信號,，要求輸出具有期望的音量和功率電平,，再生過程忠實,、有效且失真低，音頻的頻率范圍從20Hz到20kHz,，所以,，放大器必須在這個頻段具有良好的頻率響應(yīng)(如果驅(qū)動帶限揚(yáng)聲器，如重低音或高音揚(yáng)聲器則較差),。功率性能隨應(yīng)用的不同差異很大,，從耳機(jī)的毫瓦級到電視或個人電腦的幾瓦級，乃至于微型家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦級,，更為強(qiáng)大的家庭和商用音響系統(tǒng)則為幾百瓦級,，為的是讓影院或禮堂充滿聲音。

　　音頻放大器的一種直接模擬實現(xiàn)方案是利用工作于線性模式的三極管來創(chuàng)建一個輸出電壓,，該電壓完全復(fù)制輸入電壓,。正向電壓增益通常非常高(至少40dB)。如果正向增益是反饋環(huán)路的一部分,，整個環(huán)路增益也將很高,。常常采用反饋的原因在于高環(huán)路增益改善性能——壓縮因正向路徑的非線性產(chǎn)生的失真，并通過提高電源抑制比(PSR)來降低電源噪聲,。

D類放大器的優(yōu)勢

　　在傳統(tǒng)的三極管放大器中,，輸出級包含提供瞬時連續(xù)輸出電流的三極管。音頻系統(tǒng)有許多可能的實現(xiàn)方案,，如A類,、AB類和B類放大器，它們與D類放大器設(shè)計相比,，甚至在最有效的線性輸出級,，輸出級功耗也很大。這種差異讓D類放大器在許多應(yīng)用中具有重要的優(yōu)勢,，因為較低的功耗產(chǎn)生較少的熱量,，節(jié)省電路板空間和成本，并延長便攜式系統(tǒng)中的電池壽命,。

線性放大器,、D類放大器和功耗

　　線性放大器的輸出級被直接連接到揚(yáng)聲器(在某些情況下通過電容)。如果在輸出級中采用了雙極結(jié)三極管(BJT),，它們通常工作在線性模式,，集-射極之間的電壓較大。輸出級也可能采用MOS三極管來實現(xiàn),，如圖1所示,。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖1：CMOS線性輸出級

　　功率被耗散在所有線性輸出級，因為生成V_OUT的過程不可避免地在至少一個輸出三極管上造成非零的I_DS和V_DS,。功耗的大小高度依賴于輸出三極管所采用的偏置方法,。

　　A類放大器的拓?fù)洳捎闷渲幸恢蝗龢O管作為直流電流源,，從而為揚(yáng)聲器提供所需要的最大音頻電流。采用A類輸出級有可能獲得良好的音質(zhì),，但是，功耗過大,，因為在輸出級的三極管中通常流過大的直流偏置電流(這是我們不希望的),，而這些電流卻沒有流過揚(yáng)聲器(這是我們希望的)。

　　B類放大器拓?fù)湎酥绷髌秒娏髑覙O大地降低了功耗,，其輸出三極管以推拉方式分別受到控制,，讓MH器件為揚(yáng)聲器提供正向電流，而ML器件則吸收反向電流,。這就降低了輸出級的功耗,，只有信號電流流過兩個三極管。B類電路的音質(zhì)稍差,，因為當(dāng)輸出電流過零時存在非線性行為且三極管此時正好在導(dǎo)通和關(guān)閉兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換,。

　　AB類放大器混合折衷了A類和B類放大器的優(yōu)勢，采用了一定的直流偏置電流,，但是,，比純A類設(shè)計要小。小的直流偏置足以防止出現(xiàn)過零失真,，從而獲得良好的音質(zhì),。功耗盡管在A類和B類放大器之間，通常比較接近B類放大器,。為此,，需要采取一些控制措施—類似于B類放大電路，以便讓AB類放大器提供或吸收大的輸出電流,。

　　不幸的是,，即使設(shè)計得非常好的AB類放大器也存在很大的功耗，因為其中等范圍的輸出電壓通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正電源軌或大于負(fù)電源軌,。因此,，大的漏-源電壓降會產(chǎn)生很大的I_DS - V_DS瞬時功耗。

　　由于采用不同的拓?fù)?圖2),，D類放大器比上述任何一類放大器的功耗都要小得多,。其輸出級在正負(fù)電源之間切換，因此,，產(chǎn)生一串電壓脈沖,。這種波形對于降低功耗有好處，因為在不切換時輸出三極管的電流為零,；而當(dāng)導(dǎo)通電流時,，VDS較小,，因此，給出的I_DS - V_DS更小,。

　　　　　　　　　　　　圖2：D類開環(huán)放大器的方框圖

　　因為大多數(shù)音頻信號不是脈沖串,，所以，要采用調(diào)制器把音頻信號轉(zhuǎn)換為脈沖,。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號和與調(diào)制過程有關(guān)的大量高頻能量,。在輸出級和揚(yáng)聲器之間通常要插入一個低通濾波器以最小化電磁干擾，并避免以太多的高頻能量來驅(qū)動揚(yáng)聲器,。要采用無損耗的濾波器(圖3),，以保持開關(guān)輸出級功耗低的優(yōu)勢。濾波器通常采用電容和電感構(gòu)成,，揚(yáng)聲器是唯一耗能的元件,。

　　　　　　　　　　　　圖3：差分開關(guān)輸出級和LC低通濾波器

　　圖4給出了音頻輸出為正弦波信號的情況下，A類,、B類和D類放大器的理想輸出級功耗(P_DISS)與傳遞到揚(yáng)聲器上的功率(P_LOAD)的比較,，其中D類放大器采用模擬器件公司的AD1994 D類放大器。功率的數(shù)值被歸一化為功率電平P_LOAD max,，其中,，正弦信號被壓縮到足以引起10%的總諧波失真(THD)。垂直線表示開始壓縮時的P_LOAD,。

　　　　　　　圖4：A類,、B類和D類放大器輸出級的功耗比較

　　由此可見，在寬的負(fù)載范圍內(nèi)存在巨大的功耗差,。在開始壓縮時,，D類輸出級的功耗大約比B類的輸出級小2.5倍，而比A類小27倍,。注意：A類輸出級消耗的功率比傳遞給揚(yáng)聲器的功率要更大——這是采用大的直流偏置電流的結(jié)果,。

　　在壓縮開始時，A類放大器的Eff = 25%,；B類放大器的Eff =78.5%,；D類放大器的Eff =90%(見圖5)。這些最佳情況的A類和B類放大器常常被教科書所引用,。

　　　　　　　　　圖5：A類,、B類和D類放大器的效率比較

　　功耗和效率的差異在中等功率電平處加大。這一點對于音頻是重要的,，因為長期平均高聲音樂的電平要比瞬時電平——接近P_LOAD max——低得多(小5到20倍,，取決于音樂的類型)。因此，對于音頻放大器,，[P_LOAD = 0.1 - P_LOAD max]是合理的平均功率電平,，在這一點可以評估P_DISS。在該電平,，D類輸出級的功耗比B類的功耗小9倍,，比A類的小107倍。

　　對于具有10-W P_LOAD max的音頻放大器,，1W的P_LOAD可以被認(rèn)為是現(xiàn)實的聽音電平,。在這個條件下，282 mW被消耗在D類的輸出級,，而B類和A類的輸出級則分別要消耗2.53 W和30.2 W。在這種情形下,，D類的效率被從較高功率的90%減少到了78%,。但是，即使78%也比B類和A類放大器分別28%和3%的效率要高得多,。

　　這些差異對系統(tǒng)設(shè)計有重要的影響,。對于1W以上的功率電平，線性輸出級的過多功耗需要很強(qiáng)的冷卻措施以避免無法接受的過熱,，通常在放大器上要采用大塊金屬板作為散熱片或采用風(fēng)扇吹空氣來帶走熱量,。如果放大器以集成電路形式實現(xiàn)，那就需要采用大塊和昂貴的熱增強(qiáng)封裝以便于熱的傳遞,。這些考慮在諸如平板電視和汽車音響這樣的消費產(chǎn)品中是繁重的,，這些產(chǎn)品的空間非常寶貴，市場上呈現(xiàn)向有限的空間中添加更多功能的趨勢,。

　　對于小于1W的功率電平,，解決浪費的功率問題比解決熱生成問題更為困難。如果采用電池供電,，線性輸出級比D類放大器更快地耗盡電池,。在上述的實例中，D類輸出級消耗的電源電流比B類小2.8倍,，比A類小23.6倍,，因此，導(dǎo)致蜂窩電話,、PDA和MP3播放器之類產(chǎn)品的電池壽命差異很大,。

　　為了簡化起見，迄今為止的分析都集中在放大器的輸出級,。然而,，如果考慮到放大器系統(tǒng)中的所有功耗源，在低輸出功率電平，線性放大器比D類放大器更好,。原因在于：在低電平生成和調(diào)制開關(guān)波形所需要的功率很大,。因此，設(shè)計優(yōu)良的AB類放大器的整個系統(tǒng)的靜態(tài)功耗能夠跟D類放大器媲美,。然而,，在較高的輸出功率范圍內(nèi)，D類放大器的功耗毫無疑問是無與倫比的,。

下一部分將探討D類放大器的端接,、差分和單端端接方法。