干貨分享：工程師教你如何設(shè)計(jì)D類(lèi)放大器

　　D類(lèi)放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來(lái)。那么，什么是D類(lèi)放大器?它們與其它類(lèi)型的放大器相比如何? 為什么D類(lèi)放大器對(duì)于音頻應(yīng)用很有意義?設(shè)計(jì)一個(gè)“優(yōu)質(zhì)”D類(lèi)音頻放大器需要考慮哪些因素? 本文中試圖回答上述所有問(wèn)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(chǎn)生真實(shí)、高效和低失真的輸入音頻信號(hào)。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(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)(當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻帶有限的揚(yáng)聲器時(shí)頻率范圍減小，例如，低音揚(yáng)聲器或高音揚(yáng)聲器)。輸出功率能力根據(jù)應(yīng)用情況變化范圍很寬，從數(shù)毫瓦(mW)的耳機(jī)，幾瓦(W)的電視(TV)或個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)音頻，幾十瓦的“迷你”家庭音響和汽車(chē)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(chǎng)或音樂(lè)廳音響系統(tǒng)。

　　一種音頻放大器的直接模擬實(shí)現(xiàn)使用晶體管在線性工作方式下產(chǎn)生一個(gè)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(huì)很高。經(jīng)常使用反饋環(huán)路，因?yàn)楦攮h(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(guò)增加電源抑制(PSR)減少電源噪聲。

　　D類(lèi)放大器的優(yōu)點(diǎn)

　　在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級(jí)包含提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的晶體管。實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類(lèi)型包括A類(lèi)放大器，AB類(lèi)放大器和B類(lèi)放大器。與D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)相比較，即使是最有效的線性輸出級(jí)，它們的輸出級(jí)功耗也很大。這種差別使得D類(lèi)放大器在許多應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈凸漠a(chǎn)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(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。

　　線性放大器、D類(lèi)放大器和功耗

　　線性放大器輸出級(jí)直接連接到揚(yáng)聲器(有些情況下通過(guò)電容器連接)。如果輸出級(jí)使用雙極性結(jié)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(jí)也可以用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

　　圖1. CMOS線性輸出級(jí)

　　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(lèi)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(lèi)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泻艽蟮腄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(lèi)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(lèi)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(lèi)放大器是A類(lèi)放大器和B類(lèi)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(lèi)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(lèi)放大器和B類(lèi)放大器之間，但通常更接近于B類(lèi)放大器。與B類(lèi)放大器電路類(lèi)似，AB類(lèi)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(lèi)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(lèi)放大器由于具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)，其功耗遠(yuǎn)小于上面任何一類(lèi)放大器。D類(lèi)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(lèi)開(kāi)環(huán)放大器框圖

　　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(見(jiàn)圖3)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(lèi)放大器和B類(lèi)放大器輸出級(jí)功耗(PDISS)的理想值與 AD1994 D類(lèi)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)功率水平歸一化，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(lèi)、B類(lèi)放大器和D類(lèi)放大器輸出級(jí)的功耗比較

　　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(lèi)放大器輸出級(jí)的功耗約是B類(lèi)放大器的1/2.5，是A類(lèi)放大器的1/27。應(yīng)當(dāng)注意，消耗在A類(lèi)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(lèi)放大器的Eff= 25%，B類(lèi)放大器的Eff=78.5%，D類(lèi)放大器的Eff=90%(見(jiàn)圖5)。對(duì)于A類(lèi)放大器和B類(lèi)放大器，這些最佳例證經(jīng)常在教科書(shū)中引用。

　　圖5. A類(lèi)、B類(lèi)和D類(lèi)放大器輸出級(jí)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(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(lèi)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(lèi)放大器輸出級(jí)的功耗是B類(lèi)放大器的1/9，是A類(lèi)放大器的1/107。