D類音頻放大器概念及其設計原理和方法

　　D類放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來。那么，什么是D類放大器？它們與其它類型的放大器相比如何？ 為什么D類放大器對于音頻應用很有意義？設計一個“優(yōu)質”D類音頻放大器需要考慮哪些因素？ ADI公司（簡稱ADI公司）D類放大器產品的特點是什么？ 本文中試圖回答上述所有問題。

　　音頻放大器背景

　　音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)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，因此放大器必須在此頻率范圍內具有良好的頻率響應（當驅動頻帶有限的揚聲器時頻率范圍減小，例如，低音揚聲器或高音揚聲器）。輸出功率能力根據應用情況變化范圍很寬，從數毫瓦（mW）的耳機，幾瓦（W）的電視（TV）或個人計算機（PC）音頻，幾十瓦的“迷你”家庭音響和汽車音頻，到幾百瓦和幾百瓦以上大功率的家用和商用音響系統(tǒng)，以及劇場或音樂廳音響系統(tǒng)。

　　一種音頻放大器的直接模擬實現使用晶體管在線性工作方式下產生一個與輸入電壓成比例的輸出電壓。正向電壓增益通常很高（至少40 dB）。如果正向增益是反饋環(huán)路的一部分，那么總的環(huán)路增益也會很高。經常使用反饋環(huán)路，因為高環(huán)路增益可以改善性能，抑制由于正向路徑中線性誤差造成的失真，并且通過增加電源抑制（PSR）減少電源噪聲。

　　D類放大器的優(yōu)點

　　在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時連續(xù)輸出電流的晶體管。實現音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型包括A類放大器，AB類放大器和B類放大器。與D類放大器設計相比較，即使是最有效的線性輸出級，它們的輸出級功耗也很大。這種差別使得D類放大器在許多應用中具有顯著的優(yōu)勢，因為低功耗產生熱量較少，節(jié)省印制電路板（PCB）面積和成本，并且能夠延長便攜式系統(tǒng)的電池壽命。

　　線性放大器、D類放大器的功耗

　　線性放大器輸出級直接連接到揚聲器（有些情況下通過電容器連接）。如果輸出級使用雙極性結型晶體管（BJT），它們通常工作在線性方式下，具有大的集射極電壓。輸出級也可以用互補金屬氧化物半導體（CMOS）晶體管實現，如圖1所示。

　　圖1. CMOS線性輸出級

　　功率消耗在所有線性輸出級，因為產生輸出電壓VOUT的過程中不可避免地會在至少一個輸出晶體管內造成非零的IDS和VDS。功耗大小主要取決于對輸出晶體管的偏置方法。

　　A類放大器拓撲結構使用一只晶體管作為直流（DC）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(yōu)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（這是我們不期望的），而沒有提供給揚聲器（這是我們期望的）。

　　B類放大器拓撲結構沒有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B類放大器電路的音質較差，因為當輸出電流過零點和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時會造成線性誤差（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。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，即使是精心設計AB類放大器也有很大的功耗，因為其中等范圍的輸出電壓通常遠離正電源或負電源。由于漏源極之間的電壓降很大，所以會產生很大的瞬時功耗IDS×VDS。

　　D類放大器由于具有不同的拓撲結構（見圖2），其功耗遠小于上面任何一類放大器。D類放大器的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IDS×VDS。

　　圖2. D類開環(huán)放大器框圖

　　由于大多數音頻信號不是脈沖串，因此必須包括一個調制器將音頻輸入轉換為脈沖信號。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號和與調制過程相關的重要的高頻能量。經常在輸出級和揚聲器之間插入一個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動揚聲器。為了保持開關輸出級的功耗優(yōu)點，要求該濾波器（見圖3）是無損的（或接近于無損）。低通濾波器通常采用電容器和電感器，只有揚聲器是耗能元件。

　　圖3. 差分開關輸出級和LC低通濾波器

　　圖4是A類放大器和B類放大器輸出級功耗（PDISS）的理想值與AD1994 D類放大器輸出級功耗的測量值的比較。圖中的曲線是指給定的音頻正弦波信號的輸出級功率與揚聲器提供的負載功率（PLOAD）之間的關系。其中負載功率相對最大負載（PLOAD max）功率水平歸一化，箝位的正弦波信號保證10%總諧波失真（THD）。圖中的垂直線表示PLOAD開始箝位的位置。

　　圖4. A類、B類放大器和D類放大器輸出級的功耗比較

　　可以看出，對于多種負載其功耗明顯不同，尤其是在高端和中端值負載條件下。在箝位開始之初，D類放大器輸出級的功耗約是B類放大器的1/2.5，是A類放大器的1/27。應當注意，消耗在A類放大器輸出級的功率比傳遞到揚聲器的功耗大，這是使用大的DC偏置電流的結果。

　　輸出級功率效率Eff定義如下：

　　在箝位開始之初，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%（見圖5）。對于A類放大器和B類放大器，這些最佳例證經常在教科書中引用。

　　圖5. A類、B類和D類放大器輸出級的功率效率比較

　　功耗和功率效率的差異在中等功率水平處很大。這對于音頻很重要，因為大音量音樂的長期平均功率水平要比達到PLOADmax的瞬時峰值水平低很多（為其1/5到1/20，取決于音樂類型）。因而，對于音頻放大器，［PLOAD= 0.1×PLOADmax］ 是一個合理的平均功率水平，按照這個功率水平評估PDISS。在這個功率水平，D類放大器輸出級的功耗是B類放大器的1/9，是A類放大器的1/107。

　　對于10 W PLOADmax的音頻放大器，1 W的平均PLOAD認為是保真音頻功率水平。在這種條件下，D類放大器輸出級內部功耗為282 mW，對于B類放大器為2.53 W，對于A類放大器為30.2 W。在這種情況下