D類放大器,D類放大器是什么意思
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圖1、cmos線性輸出級(jí)
注：output stage＝輸出級(jí)
speaker＝揚(yáng)聲器
ground＝地
功率消耗在所有線性輸出級(jí)，因?yàn)楫a(chǎn)生輸出電壓vout的過(guò)程中不可避免地會(huì)在至少一個(gè)輸出晶體管內(nèi)造成非零的ids和vds。功耗大小主要取決于對(duì)輸出晶體管的偏置方法。
a 類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用一只晶體管作為直流（dc）電流源，能夠提供揚(yáng)聲器需要的最大音頻電流。a類放大器輸出級(jí)可以提供優(yōu)良的音質(zhì)，但功耗非常大，因?yàn)橥ǔＳ泻艽蟮膁c偏置電流流過(guò)輸出級(jí)晶體管（這是我們不期望的），而沒(méi)有提供給揚(yáng)聲器（這是我們期望的）。
b 類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有dc偏置電流，所以功耗大大減少。其輸出晶體管是以推拉方式獨(dú)立控制，從而允許高端晶體管為揚(yáng)聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負(fù)電流。由于只有信號(hào)電流流過(guò)晶體管，因而減少了輸出級(jí)功耗。但是b類放大器電路的音質(zhì)較差，因?yàn)楫?dāng)輸出電流過(guò)零點(diǎn)和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時(shí)會(huì)造成線性誤差（交越失真）。
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(yuǎn)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(zhì)。其功耗介于a類放大器和b類放大器之間，但通常更接近于b類放大器。與b類放大器電路類似，ab類放大器也需要一些控制電路以使其提供或吸收大的輸出電流。
不幸的是，即使是精心設(shè)計(jì)ab類放大器也有很大的功耗，因?yàn)槠渲械确秶妮敵鲭妷和ǔ＿h(yuǎn)離正電源或負(fù)電源。由于漏源極之間的電壓降很大，所以會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)功耗ids×vds。d 類放大器由于具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其功耗遠(yuǎn)小于上面任何一類放大器。d類放大器的輸出級(jí)在正電源和負(fù)電源之間切換從而產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因?yàn)楫?dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時(shí)具有零電流，并且在導(dǎo)通時(shí)具有很低的vds，因而產(chǎn)生較小的功耗ids×vds 。
圖2、d類開(kāi)環(huán)放大器框圖
注：modulator＝調(diào)制器
switching output stage＝開(kāi)關(guān)輸出級(jí)
lossless low-pass filter （lc）＝無(wú)損低通濾波器（lc）
speaker ＝揚(yáng)聲器
由于大多數(shù)音頻信號(hào)不是脈沖串，因此必須包括一個(gè)調(diào)制器將音頻輸入轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號(hào)和與調(diào)制過(guò)程相關(guān)的重要的高頻能量。經(jīng)常在輸出級(jí)和揚(yáng)聲器之間插入一個(gè)低通濾波器以將電磁干擾（emi）減至最小，并且避免以太多的高頻能量驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。為了保持開(kāi)關(guān)輸出級(jí)的功耗優(yōu)點(diǎn)，要求該濾波器是無(wú)損的（或接近于無(wú)損）。低通濾波器通常采用電容器和電感器，只有揚(yáng)聲器是耗能元件。
圖3. 差分開(kāi)關(guān)輸出級(jí)和lc低通濾波器
圖4是a類放大器和b類放大器輸出級(jí)功耗（pdiss）的理想值與ad1994 d類放大器輸出級(jí)功耗的測(cè)量值的比較。圖中的曲線是指給定的音頻正弦波信號(hào)的輸出級(jí)功率與揚(yáng)聲器提供的負(fù)載功率（pload）之間的關(guān)系。其中負(fù)載功率相對(duì)最大負(fù)載（pload max ）功率水平標(biāo)準(zhǔn)化，箝位的正弦波信號(hào)保證10%總諧波失真（thd）。圖中的垂直線表示pload開(kāi)始箝位的位置。
圖4、a類、b類放大器和d類放大器輸出級(jí)的功耗比較
注：normalized power dissipation＝標(biāo)準(zhǔn)化功耗
normalized load power＝標(biāo)準(zhǔn)化負(fù)載功率
class a ideal＝a類放大器理想值
class b ideal＝b類放大器理想值
class d ad199x measured＝ad199x d類放大器測(cè)量值
no clipping＝?jīng)]有箝位
amplifier clips＝放大器箝位
max power the amp can deliver＝放大器可提供的最大功率
output is clipped at this power level＝在這個(gè)功率水平條件下的箝位輸出
可以看出，對(duì)于多種負(fù)載其功耗明顯不同，尤其是在高端和中端值負(fù)載條件下。在箝位開(kāi)始之初，d類放大器輸出級(jí)的功耗約是b類放大器的1/2.5，是a類放大器的1/27。應(yīng)當(dāng)注意，消耗在a類放大器輸出級(jí)的功率比傳遞到揚(yáng)聲器的功耗大，這是使用大的dc偏置電流的結(jié)果。
輸出級(jí)功率效率eff定義如下：
在箝位開(kāi)始之初，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%。
對(duì)于a類放大器和b類放大器，這些最佳例證經(jīng)常在教科書中引用。
圖5、a類、b類和d類放大器輸出級(jí)的功率效率比較
注：power efficiency＝功率效率
normalized load power＝標(biāo)準(zhǔn)化負(fù)載功率
class d ad199x measured＝ad199x d類放大器測(cè)量值
class b ideal＝b類放大器理想值
class a ideal＝a類放大器理想值
功耗和功率效率的差異在中等功率水平處很大。這對(duì)于音頻很重要，因?yàn)榇笠袅恳魳?lè)的長(zhǎng)期平均功率水平要比達(dá)到pload max的瞬時(shí)峰值水平低很多（為其1/5到1/20，取決于音樂(lè)類型）。因而，對(duì)于音頻放大器，[pload = 0.1×pload max] 是一個(gè)合理的平均功率水平，按照這個(gè)功率水平評(píng)估pdiss。在這個(gè)功率水平，d類放大器輸出級(jí)的功耗是b類放大器的1/9，是a類放大器的1/107。
對(duì)于10 w pload max的音頻放大器，1 w的平均pload認(rèn)為是保真音頻功率水平。在這種條件下，d類放大器輸出級(jí)內(nèi)部功耗為282 mw，對(duì)于b類放大器為2.53 w，對(duì)于a類放大器為30.2 w。在這種情況下，d類放大器的效率從高功率條件下的90%減少到78%。但即使是78%也要遠(yuǎn)優(yōu)于b類放大器和a類放大器，它們的效率分別為28%和3%。
這些差別對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的影響。對(duì)于1 w以上的功率水平，線性輸出級(jí)的過(guò)大的功耗要求采用有效的散熱方法以避免不可接受的發(fā)熱，通常是使用大金屬板作為散熱板，或用風(fēng)扇促進(jìn)放大器空氣散熱。如果放大器是集成電路（ic），就可能需要大尺寸、高成本的增強(qiáng)散熱封裝以促進(jìn)熱傳導(dǎo)。這些考慮在消費(fèi)類產(chǎn)品中很麻煩，例如平板電視，其印制電路板面積（pcb）面積很寶貴，或汽車音響，其發(fā)展趨勢(shì)是在固定空間內(nèi)增加通道數(shù)。
對(duì)于1 w以下的功率水平，處理浪費(fèi)的功率可能比處理散熱還困難。如果是電池供電，線性放大器輸出級(jí)消耗電池電荷要比d類放大器快。在上面的例子中，d類放大器輸出級(jí)耗費(fèi)的電源電流是b類放大器的1/2.8，是a類放大器的1/23.6，因此它們用于蜂窩電話，pda和mp3播放器等產(chǎn)品在電池的壽命方面有很大差別。
迄今為止，我們?yōu)榱撕?jiǎn)單起見(jiàn)，只是專門注重放大器輸出級(jí)的分析。但是當(dāng)考慮放大器系統(tǒng)中所有功耗時(shí)，線性放大器要比低輸出功率d類放大器更有利。原因是在低功率水平條件下，產(chǎn)生和調(diào)制開(kāi)關(guān)波形所需要的功率會(huì)很大。因而，精心設(shè)計(jì)的低中功率的ab類放大器的寬系統(tǒng)靜態(tài)功耗優(yōu)勢(shì)使得它們可與d類放大器相競(jìng)爭(zhēng)。雖然對(duì)于寬的輸出功率范圍，毫無(wú)疑問(wèn)d類放大器具有低功耗優(yōu)勢(shì)。
d類放大器術(shù)語(yǔ)以及差分方式與單端方式的比較
圖3示出d類放大器中輸出晶體管和lc濾波器的差分實(shí)現(xiàn)。這個(gè)h橋具有兩個(gè)半橋開(kāi)關(guān)電路，它們?yōu)闉V波器提供相反極性的脈沖，其中濾波器包含兩個(gè)電感器、兩個(gè)電容器和揚(yáng)聲器。每個(gè)半橋包含兩個(gè)輸出晶體管，一個(gè)是連接到正電源的高端晶體管mh，另一個(gè)是連接到負(fù)電源的低端晶體管ml。圖3中示出的是高端pmos晶體管。經(jīng)常采用高端nmos晶體管以減小尺寸和電容，但需要特殊的柵極驅(qū)動(dòng)方法控制它們。
全h橋電路通常由單電源（vdd）供電，接地端用于接負(fù)電源端（vss）。對(duì)于給定的vdd和vss，h橋電路的差分方式提供的輸出信號(hào)是單端方式的兩倍，并且輸出功率是其四倍。半橋電路可由雙極性電源或單極性電源供電，但單電源供電會(huì)對(duì)dc偏置電壓產(chǎn)生潛在的危害，因?yàn)橹挥衯dd/2電壓施加到過(guò)揚(yáng)聲器，除非加一個(gè)隔直電容器。
“激勵(lì)”的半橋電路電源電壓總線可以超過(guò)lc濾波器的大電感器電流產(chǎn)生的標(biāo)稱值。在vdd和vss之間加大的去耦電容器可以限制激勵(lì)dv/dt的瞬態(tài)變化。全橋電路不受總線激勵(lì)的影響，因?yàn)殡姼衅麟娏鲝囊粋€(gè)半橋流入，從另一個(gè)半橋流出，從而使本地電流環(huán)路對(duì)電源干擾極小。
音頻D類放大器
雖然利用d類放大器的低功耗優(yōu)點(diǎn)有力推動(dòng)其音頻應(yīng)用，但是有一些重要問(wèn)題需要設(shè)計(jì)工程師考慮，包括：
輸出晶體管尺寸選擇、輸出級(jí)保護(hù)、音質(zhì)、調(diào)制方法、抗電磁干擾（emi）、lc濾波器設(shè)計(jì)、系統(tǒng)成本
輸出晶體管尺寸選擇
選擇輸出晶體管尺寸是為了在寬范圍信號(hào)調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗。當(dāng)傳導(dǎo)大的ids時(shí)保證vds很小，要求輸出晶體管的導(dǎo)通電阻（ron）很?。ǖ湫椭禐?.1Ω～0.2Ω）。但這要求大晶體管具有很大的柵極電容（cg）。開(kāi)關(guān)電容柵極驅(qū)動(dòng)電路的功耗為cv2f，其中c 是電容，v是充電期間的電壓變化，f是開(kāi)關(guān)頻率。如果電容或頻率太高，這個(gè)“開(kāi)關(guān)損耗”就會(huì)過(guò)大，所以存在實(shí)際的上限。因此，晶體管尺寸的選擇是傳導(dǎo)期間將ids×vds損失降至最小與將開(kāi)關(guān)損耗
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