D類放大器背后的奧秘

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(shì)。

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)的毫瓦級(jí)到TV或PC影響上的數(shù)瓦，再到“微型”家庭立體聲音響、汽車(chē)音響，而最高者是功率更強(qiáng)的家用和用于劇場(chǎng)和禮堂的商用音響系統(tǒng)，其功率達(dá)到數(shù)百瓦甚至更高。

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(guò)提高電源抑制能力(PSR)來(lái)減小電源噪聲。

在傳統(tǒng)的晶體管放大器中，輸出級(jí)包括了提供輸出電流的晶體管。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(shì)，因?yàn)檩^小的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(zhǎng)。

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(guò)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(wú)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(guò)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挽方式進(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(guò)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(guò)零點(diǎn)、晶體管在導(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)電源之間來(lái)回切換，以便產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖鏈。這一波形對(duì)于降低功率耗散來(lái)說(shuō)是有利的，因?yàn)檩敵鼍w管在不發(fā)生開(kāi)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(guò)一個(gè)調(diào)制器來(lái)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(guò)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(guò)高。濾波器應(yīng)該是無(wú)損耗的(或者接近無(wú)損耗的)以便保證開(kāi)關(guān)輸出級(jí)的低功率耗散的優(yōu)勢(shì)。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(wèn)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(guò)程中對(duì)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(tīng)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(wèn)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(guò)D類調(diào)制器輸出脈沖的寬度來(lái)編碼的。為了防止輸出級(jí)的直通電流而引入死區(qū)，則會(huì)帶來(lái)非線性的定時(shí)誤差，同時(shí)又會(huì)在揚(yáng)聲器上產(chǎn)生與相對(duì)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)電路定時(shí)特性的不匹配以及LC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(guò)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(guò)所有音頻分量，包括噪聲。

如果失真和電源問(wèn)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(tīng)的聲音的、高階的分量。

幸運(yùn)的是，這些問(wèn)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(lái)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(guò)將揚(yáng)聲器也納入反饋環(huán)路的方法來(lái)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(kāi)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(guò)數(shù)字－模擬變換器來(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(duì)于小外形尺寸的應(yīng)用來(lái)說(shuō)也是一個(gè)問(wèn)題。

為了解決這些問(wèn)題，有時(shí)人們干脆取消LC濾波器，即采用一個(gè)無(wú)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(méi)有濾波器的話，EMI和高頻功率耗散可能會(huì)增加到令人無(wú)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)用中常常可以作到這一點(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(guò)采用單端的半橋式輸出級(jí)電路來(lái)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(wú)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(lái)的成本上升。另一方面，半橋電源也可以依靠單電源來(lái)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(kāi)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(guò)一個(gè)無(wú)源的LC低通濾波器來(lái)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(zhǎng)，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(mǎi)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(píng)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(kāi)發(fā)D類放大器的主要部分。