移動與便攜設(shè)備中的高效率放大器

由于消費者要求移動與便攜設(shè)備有更小的外形，更長的電池壽命，設(shè)計者們正在尋求用高效率器件替代普通的線性放大器。雖然 AB 類放大器已稱霸音頻世界相當(dāng)長的時間，但 D 類放大器能在所需效率與失真之間提供平衡。

A 類放大器

A 類放大器（圖 1）對音頻波形的兩個半周使用相同的晶體管。在這種結(jié)構(gòu)中，輸出晶體管總是有電流通過，即使沒有輸入信號，輸出晶體管也不會截止，通過晶體管的為直流電流。純 A 類放大器效率非常低，即使沒有音頻輸出也會產(chǎn)生大量熱量。流經(jīng)輸出晶體管的電流與滿功率情況下通過揚聲器負(fù)載的驅(qū)動電流相當(dāng)。許多人認(rèn)為 A 類放大器的聲音好于其它類型的放大器，這在某些方面可能是正確的。

A 類放大器的特性是高保真與低效率。保真意味著除了幅值以外，輸出信號在各個方面都與輸入信號非常相象，即它們有相同的形態(tài)與頻率。某些情況下，輸出信號與輸入信號之間可能會有一個相位差（一般是 180o），但仍然能非常好地復(fù)制源信號。如果輸出信號在形態(tài)或頻率上與輸入信號有差異，則信號就失真了。失真就是在輸入至輸出之間出現(xiàn)不期望的信號變化。

B 類放大器

B 類放大器（圖 3）在波形的每個半周分別使用不同的晶體管進(jìn)行放大。純 B 類放大器一般不用于音頻領(lǐng)域。在 B 類放大器中，會有少部分波形出現(xiàn)失真。我們知道，要使一只雙極晶體管導(dǎo)通，需要在基極至射電極上施加大約為 0.7V 的電壓。在純 B 類放大器中，輸出晶體管沒有被偏置在 ON（導(dǎo)通）的工作狀態(tài)。這意味著位于 0.7V 窗口中的那部分波形不會被準(zhǔn)確放大。波形每個半周（正半周和負(fù)半周）的輸出晶體管都有一個 0.7V 的不導(dǎo)通區(qū)域（圖 4）。波形的失真部分叫做交越失真。信號中的這一失真是不希望出現(xiàn)的（與源信號相比）。圖 5 顯示的是交越失真的形狀。

B 類放大器的效率是 A 類放大器的兩倍，因為放大器件只在輸入信號的一半時間導(dǎo)通（并消耗功率）。

AB 類放大器

A 類放大器效率低，不利于節(jié)能。B 類放大器則會造成信號失真，不適用于音頻放大器。AB 類放大器（圖 6）則是最佳的折衷方案。AB 類放大器是有恒定小偏置電流流過輸出晶體管的 B 類放大器。這樣可以消除交越失真。由于輸出晶體管總是處于導(dǎo)通狀態(tài)（即使沒有音頻輸入信號時），所以總是有少量偏置電流通過。與純 A 類放大器不同的是電流量大小不同。純 A 類放大器的輸出晶體管在沒有音頻信號時也要承受大量電流。純 B 類放大器的輸出晶體管在沒有輸入信號時則沒有電流通過。

AB 類放大器的效率比 A 類放大器高很多，且沒有 B 類放大器的失真問題。AB 類放大器的效率可高達(dá) 65%。

D 類放大器

這是由一個 H-橋和一個負(fù)載組成的開關(guān)式放大器（圖 7）。負(fù)載包括揚聲器阻抗和一個無源濾波器。H-橋控制通過揚聲器的電流，LC 濾波器則過濾開關(guān)噪聲。為了更好地說明為什么這種方式比傳統(tǒng)線性放大器更適合于移動或便攜設(shè)備，我們必須查看各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣之處。

美國美國國家半導(dǎo)體公司的無濾波器 D 類放大器 LM4667（圖 8）是全差分輸入輸出，用創(chuàng)新的調(diào)制器代替了 LC 輸出濾波器。由于節(jié)省了輸出濾波器，從而降低了元件數(shù)量，簡化了電路設(shè)計，且減小了電路板面積。LM4667 用 Delta-sigma 調(diào)制技術(shù)處理模擬輸入信號，與傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制方式相比，降低了輸出噪聲和 THD。

Delta-sigma 調(diào)制的優(yōu)點

Delta-Sigma 調(diào)制的線性度優(yōu)于 PWM（脈寬調(diào)制），此外還改善了噪底和 THD+N 性能。

AB 類放大器與 D 類放大器效率比較

圖 9 顯示效率比較曲線，上方的曲線是 D 類放大器的效率，下方的曲線是 AB 類放大器的效率。可以看到，滿功率輸出時兩者的效率很接近（AB 類約 65%，D 類約 88%），只有 23% 的差別，但在實際應(yīng)用中，多數(shù)時間里放大器的輸出處于 1/3 到 1/2 功率，此時 AB 類放大器效率僅為 30-40%，而 D 類放大器則有 80% 以上。巨大的效率差（40% 以上）意味著無用功率（產(chǎn)生熱量）和降低電池的使用時間。

總結(jié)

A 類放大器效率低，但是具有高保真。

B 類放大器一般不用于音頻領(lǐng)域，因為 B 類放大器波形的一小部分會發(fā)生交越失真。落入 0.6V 窗口中的波形不能被準(zhǔn)確地放大。

AB 類放大器效率比 A 類放大器高得多，并且沒有 B 類放大器的失真問題。

D 類放大器的效率很高。效率的提高可以轉(zhuǎn)化為更低的系統(tǒng)成本、更低的工作溫度、更低的供電電壓以及更低的功耗。AB 類放大器的實際工作效率在 30-40% 間徘徊，而D 類放大器的效率可輕易達(dá)到 80%。