音頻放大器的用途是在發(fā)聲輸出元件上復(fù)現(xiàn)輸入音頻信號(hào),，提供所需要的音量和功率水平——保證復(fù)現(xiàn)的忠實(shí)性、高效率以及低失真度,。在這一任務(wù)面前,，D類放大器表現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢。
音頻是指約20Hz到20kHz的頻率范圍,，因此一個(gè)音頻放大器在這個(gè)頻段上必須具備出色的頻率響應(yīng)特性（在驅(qū)動(dòng)頻帶有限的低音和高音揚(yáng)聲器時(shí),，頻響特性較好的頻率范圍可更窄些）。功率能力方面的需求則變化很大,，具體指標(biāo)取決于應(yīng)用要求,，從頭戴式耳機(jī)的mW級(jí)到TV或PC影響上的數(shù)W，再到“微型”家庭立體聲音響,、汽車音響,，而最高者是功率更強(qiáng)的家用和用于劇場和禮堂的商用音響系統(tǒng)，其功率達(dá)到數(shù)百W甚至更高。
音頻放大器最直截了當(dāng)?shù)?、模擬式的實(shí)現(xiàn)方式是讓晶體管工作在線性模式下,，讓輸出電壓以一定比例隨輸入信號(hào)電壓變化。前向的電壓增益往往很高（至少40dB）,。如果前向增益是反饋回路的一部分,，則總的回路增益也將很高。電路中常常要采用反饋,，因?yàn)楹芨叩沫h(huán)路增益可以提供更高的性能——抑制前向通路的非線性所造成的失真,，并通過提高電源抑制能力（PSR）來減小電源噪聲。
在常規(guī)的晶體管放大器中,，輸出級(jí)上的晶體管需要提供時(shí)刻連續(xù)的輸出電流,。音響系統(tǒng)可以采用的多種實(shí)現(xiàn)形式包括A類、AB類和B類,。與D類放大器相比,，這些電路中，即使是效率最高的線性輸出級(jí),，其功率的耗散很大,。這一差異反襯出，D類放大器在許多應(yīng)用方面具有顯著的優(yōu)勢,，因?yàn)檩^小的功率耗散" title="功率耗散">功率耗散意味著更低的發(fā)熱量,、電路板空間及成本的節(jié)省和便攜式系統(tǒng)的電池工作時(shí)間的延長。
所有線性輸出級(jí)都會(huì)出現(xiàn)功率的耗散,，因?yàn)閂out的產(chǎn)生不可避免地造成至少一個(gè)輸出晶體管上出現(xiàn)非零的IDS和VDS,。功率耗散的量的大小在很大程度上取決于輸出晶體管的偏置方法。
A類架構(gòu)將架構(gòu)中的一個(gè)晶體管用作一個(gè)能提供揚(yáng)聲器所需的最大音頻電流的DC電流源,。A類輸出級(jí)可以提供良好的音響品質(zhì),，但由于輸出級(jí)晶體管上往往流過很大的DC偏置電流（這是我們所不希望出現(xiàn)的），而這一電流無法提供給揚(yáng)聲器（這反而是我們所希望的）,，因此會(huì)產(chǎn)生過大的功率耗散,。
B類揚(yáng)聲器取消了DC偏置電流，所耗散的功率大大下降,。其輸出晶體管按照推－拉方式進(jìn)行分別控制,，這樣，其中的一個(gè)器件向揚(yáng)聲器提供正向電流而另一個(gè)則吸納負(fù)向電流,。這減少了輸出級(jí)的功率耗散,，晶體管中只流過信號(hào)電流。然而,，B類電路的音響質(zhì)量較差,，因?yàn)楫?dāng)輸出電流過0點(diǎn)、晶體管在導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)間切換時(shí)，其工作在非線性狀態(tài)（交越失真）,。
AB類輸出電路是A類和B類電路之間的一種折中,，它具有一定的DC偏置電流，但該電流遠(yuǎn)小于純A類設(shè)計(jì)所用的電流,。小的DC偏置電流足以防止交越失真，從而保證良好的音響質(zhì)量,。功率耗散雖然在A類和B類之間,，但一般更接近B類。AB類電路必須采取某種類似于B類電路的控制機(jī)制,，以便能夠提供或者吸納很大的輸出電流,，
一種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——D類放大器——的出現(xiàn)，是值得慶幸的事,，它所消耗的功率遠(yuǎn)低于其他任何一種電路,。其輸出級(jí)在正、負(fù)電源" title="負(fù)電源">負(fù)電源之間來回切換,，以便產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖鏈,。這一波形對于降低功率耗散來說是有利的，因?yàn)檩敵鼍w管在不發(fā)生開關(guān)動(dòng)作時(shí)電流為零,，而在導(dǎo)通電流時(shí)其兩端電壓很低,，因此IDS×VDS值更小。
因?yàn)榇蠖鄶?shù)音頻信號(hào)并非脈沖鏈,，因此,，必須通過一個(gè)調(diào)制器來將音頻輸入變換為脈沖。這些脈沖的頻率分量既包括所需要的音頻信號(hào),，也包括調(diào)制過程引入的顯著的高頻能量,。
輸出級(jí)和揚(yáng)聲器之間常常要放入一個(gè)低通濾波器，以便最大限度地降低電磁干擾（EMI）,，并避免驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的高頻能量過高,。濾波器應(yīng)該是無損耗的（或者接近無損耗的）以便保證開關(guān)輸出級(jí)的低功率耗散的優(yōu)勢。該濾波器通常由電容和電感構(gòu)成,，唯一的一個(gè)有意引入的功率耗散元件就是揚(yáng)聲器本身,。
喀嗒聲和砰爆聲
要保證D類放大器的總體上的優(yōu)良的音響品質(zhì)，就必須解決若干問題,。
放大器導(dǎo)通和關(guān)斷會(huì)伴隨有令人厭煩的喀嗒聲和砰爆聲,。不幸的是，D類放大器中很容易引入這些噪聲,，除非能夠在放大器的靜音和非靜音的狀態(tài)切換過程中對調(diào)制器的狀態(tài),、輸出級(jí)的定時(shí)關(guān)系和LC濾波器狀態(tài)進(jìn)行精心的調(diào)控。
為了避免放大器背景噪聲能造成人耳可以聽到的咝咝聲，在便攜式應(yīng)用中的低功率放大器的信噪比（SNR）往往要大于90dB,，而用于中等功率和大功率的設(shè)計(jì)的放大器的SNR應(yīng)分別為100dB和110dB以上,。多種類型的放大器實(shí)現(xiàn)方案都可以做到這一點(diǎn)，但在放大器設(shè)計(jì)中應(yīng)該追蹤各個(gè)噪聲源,，以確?？偟腟NR達(dá)到令人滿意的程度。
產(chǎn)生失真的機(jī)制包括調(diào)制技術(shù)或者調(diào)制器實(shí)現(xiàn)方案中的非線性——以及為了防止直通（shoot-through）電流問題而在輸出級(jí)引入的“死區(qū)”（dead time）,。
關(guān)于音頻信號(hào)強(qiáng)度的信息通常是通過D類調(diào)制器輸出脈沖的寬度來編碼的,。為了防止輸出級(jí)的直通電流而引入死區(qū)，就會(huì)帶來非線性的定時(shí)誤差,，這又會(huì)在揚(yáng)聲器上產(chǎn)生與相對于理想脈沖寬度的定時(shí)誤差成正比的失真量,。為了最大限度減小失真，避免直通而引入的死區(qū)時(shí)間應(yīng)該盡可能縮短,。
其它的失真源包括輸出脈沖的上升和下降時(shí)間的不匹配,、輸出晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路的定時(shí)特性的不匹配以及LC低通濾波器" title="低通濾波器">低通濾波器的元件的非線性。
在電源波動(dòng)抑制能力方面,，電源噪聲幾乎可以在受到很小的抑制的情況下,，直接耦合到揚(yáng)聲器上。之所以如此,，是因?yàn)檩敵黾?jí)的晶體管將電源通過一個(gè)很小的電阻直接連接到低通濾波器上,。濾波器可以抑制高頻噪聲，但可以通過所有音頻分量,，包括噪聲,。
如果失真和電源問題都不能得到解決的話，就很難實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10dB的PSR或者優(yōu)于0.1%的總諧波失真,。更糟糕的是,，THD屬于會(huì)發(fā)出難聽的聲音的、高階的分量,。
幸運(yùn)的是,，這些問題有兩種解決方案。如果音響設(shè)計(jì)者使用帶很高環(huán)路增益的反饋的話（正如許多線性放大器設(shè)計(jì)）,，則會(huì)大大提高電路性能,。來自于LC濾波器輸入的反饋將大大改善PSR，并衰減所有的非LC濾波器失真,。LC濾波器的非線性可以通過將揚(yáng)聲器也納入反饋環(huán)路的方法來衰減,。在設(shè)計(jì)合理的閉環(huán)D類放大器中，設(shè)計(jì)者可以獲得高保真級(jí)的音響品質(zhì)：PSR>60dB,，THD<0.01%,。
系統(tǒng)成本
影響采用D類放大器的音響系統(tǒng)的總成本的重要因素到底是哪些,？設(shè)計(jì)者如何才能最大限度降低成本？
D類放大器的有源元件是開關(guān)輸出級(jí)和調(diào)制器,。該電路的成本可以大致與模擬線性放大器的成本相當(dāng),，而系統(tǒng)的其他元件上是需要真正付出代價(jià)的地方。
D類放大器的較低的功率耗散可以為其省下冷卻裝置（散熱器或者風(fēng)扇）的成本（和空間）,。D類集成電路放大器可以使用一個(gè)比線性放大器更小的,、更便宜的封裝。在利用數(shù)字音頻信號(hào)源進(jìn)行播放時(shí),，模擬的線性放大器需要通過數(shù)字－模擬變換器" title="變換器">變換器來將音頻信號(hào)變換為模擬形式,。模擬輸入的D類放大器也需要數(shù)模變換器，但數(shù)字輸入型電路可以有效的集成一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器功能,。
另一方面，D類放大器在成本上的主要缺點(diǎn)就在于它要使用LC濾波器,。該元件——特別是電感——將占用電路板空間并增加成本,。在大功率的放大器中，總的系統(tǒng)成本仍然具有競爭力,，因?yàn)樵诶鋮s裝置方面實(shí)現(xiàn)的極大的成本節(jié)約可以抵消LC濾波器的成本的增加,。但是，在對成本敏感的,、低功耗的應(yīng)用中,，電感的成本是巨大的。在極端情況下,，如手機(jī)用的低價(jià)位放大器,，放大器IC的成本可能低于總的LC濾波器的成本。此外,，即使不考慮成本,，LC濾波器所占用的電路板空間對于小外形尺寸的應(yīng)用來說也是一個(gè)問題。
為了解決這些問題,，有時(shí)人們干脆取消LC濾波器,，即采用一個(gè)無濾波的放大器。這可以節(jié)約成本和空間,，雖然不能享受到低通濾波的好處,。如果沒有濾波器的話，EMI和高頻功率耗散可能會(huì)增加到令人無法接受的地步,，除非揚(yáng)聲器是電感性的,，其位置緊鄰放大器，而且電路環(huán)面積很小,，功率水平很低,。雖然在手機(jī)等便攜式應(yīng)用中常?？梢宰鞯竭@一點(diǎn)，但該技術(shù)并不適用于功率更大的系統(tǒng),，如家用立體聲音響,。
另一個(gè)方法是盡可能減少每個(gè)通道的LC濾波元件。這可以通過采用單端的半橋式輸出級(jí)電路來實(shí)現(xiàn),，這種電路結(jié)構(gòu)所需要的電感和電容的數(shù)量是差動(dòng)式的,、全橋式的電路的一半。但是,，如果半橋需要采用雙極型電源的話,，則產(chǎn)生負(fù)電源所需的成本也高得讓人無法接受，除非由于另外的考慮而采用了某種負(fù)電源的話——或者,，放大器有足夠的音頻通道,，以便分?jǐn)偛捎秘?fù)電源所帶來的成本上升。另一方面,，半橋電源也可以依靠單電源來供電,，但輸出功率必須降低，而且它也往往需要采用一個(gè)很大的DC隔直電容,。
D類放大器的輸出級(jí)在正,、負(fù)電源之間進(jìn)行開關(guān)切換，產(chǎn)生一系列電壓脈沖,，而不是像傳統(tǒng)音頻應(yīng)用中的A,、B、AB類放大器那樣產(chǎn)生線性輸出,。其輸出通過一個(gè)無源的LC低通濾波器來驅(qū)動(dòng)一個(gè)揚(yáng)聲器,。輸出晶體管在關(guān)斷時(shí)電流為零，而導(dǎo)通時(shí)的電壓降很小,，這使得D類放大器的功率耗散遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他方案,。因此，D類放大器的功耗更低,，占用的電路板空間更小,，而且讓便攜式系統(tǒng)中的電池的工作壽命得以延長，因此是音響應(yīng)用的理想選擇,。
音響設(shè)計(jì)師在研制高性能的D類音響放大器時(shí)需要仔細(xì)考慮多種細(xì)節(jié),，包括輸出晶體管尺寸的選擇、輸出級(jí)的保護(hù),、調(diào)制技術(shù)和濾波器拓?fù)涞?。除了預(yù)期的音質(zhì)外，EMI的削減和系統(tǒng)成本也是要考慮的因素,。
幸運(yùn)的時(shí),，可以買到的商業(yè)化集成電路產(chǎn)品即可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)D類放大器的功能,，其中包含了增益可編程的放大器、調(diào)制器和輸出級(jí),，以減少音響設(shè)計(jì)者的工作量和縮短上市時(shí)間,。評估板、PC板布局布線和合理的材料清單,，使得人們可以快速設(shè)計(jì)出成本經(jīng)濟(jì)性好的音響系統(tǒng),，而不必重復(fù)開發(fā)D類放大器的主要部分。
Eric Gaalaas (eric. [email protected]) 是Analog Devices Inc.（Wilmington, Mass.）的高級(jí)設(shè)計(jì)工程師,。他于Conell大學(xué)的電子工程專業(yè)獲學(xué)士和碩士學(xué)位,，具有12年的IC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其工作主要在音響方面,。他是若干D/A變換器,、采樣速率變換器和D類放大器專利的發(fā)明人。