D類放大器原理詳解及應(yīng)用設(shè)計(jì)指南(一)

　　圖4給出了音頻輸出為正弦波信號(hào)的情況下，A類、B類和D類放大器的理想輸出級(jí)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(hào)被壓縮到足以引起10%的總諧波失真(THD)。垂直線表示開始?jí)嚎s時(shí)的P_LOAD。

　　　　　　　圖4：A類、B類和D類放大器輸出級(jí)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?jí)嚎s時(shí)，D類輸出級(jí)的功耗大約比B類的輸出級(jí)小2.5倍，而比A類小27倍。注意：A類輸出級(jí)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(shí)，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(diǎn)對(duì)于音頻是重要的，因?yàn)殚L期平均高聲音樂的電平要比瞬時(shí)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(duì)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(diǎn)可以評(píng)估P_DISS。在該電平，D類輸出級(jí)的功耗比B類的功耗小9倍，比A類的小107倍。

　　對(duì)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(shí)的聽音電平。在這個(gè)條件下，282 mW被消耗在D類的輸出級(jí)，而B類和A類的輸出級(jí)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(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有重要的影響。對(duì)于1W以上的功率電平，線性輸出級(jí)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(shí)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(fèi)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(duì)于小于1W的功率電平，解決浪費(fèi)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(jí)比D類放大器更快地耗盡電池。在上述的實(shí)例中，D類輸出級(jí)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(jí)。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(jì)優(yōu)良的AB類放大器的整個(gè)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。