D類放大器原理詳解及應(yīng)用設(shè)計指南(一)

D類放大器早在1958年就被人們提出，近年來，其應(yīng)用越來越普及。D類放大器是什么？它們與其它種類的放大器相比怎么樣？為什么音頻應(yīng)用鐘愛D類放大器？設(shè)計和應(yīng)用一款優(yōu)良的D類音頻放大器需要怎么做？下面本文嘗試回答所有這些問題。

音頻放大器基礎(chǔ)

音頻放大器的目標(biāo)是在產(chǎn)生聲音的輸出單元再生輸入的音頻信號，要求輸出具有期望的音量和功率電平，再生過程忠實(shí)、有效且失真低，音頻的頻率范圍從20Hz到20kHz，所以，放大器必須在這個頻段具有良好的頻率響應(yīng)(如果驅(qū)動帶限揚(yáng)聲器，如重低音或高音揚(yáng)聲器則較差)。功率性能隨應(yīng)用的不同差異很大，從耳機(jī)的毫瓦級到電視或個人電腦的幾瓦級，乃至于微型家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦級，更為強(qiáng)大的家庭和商用音響系統(tǒng)則為幾百瓦級，為的是讓影院或禮堂充滿聲音。

音頻放大器的一種直接模擬實(shí)現(xiàn)方案是利用工作于線性模式的三極管來創(chuàng)建一個輸出電壓，該電壓完全復(fù)制輸入電壓。正向電壓增益通常非常高(至少40dB)。如果正向增益是反饋環(huán)路的一部分，整個環(huán)路增益也將很高。常常采用反饋的原因在于高環(huán)路增益改善性能——壓縮因正向路徑的非線性產(chǎn)生的失真，并通過提高電源抑制比(PSR)來降低電源噪聲。

D類放大器的優(yōu)勢

在傳統(tǒng)的三極管放大器中，輸出級包含提供瞬時連續(xù)輸出電流的三極管。音頻系統(tǒng)有許多可能的實(shí)現(xiàn)方案，如A類、AB類和B類放大器，它們與D類放大器設(shè)計相比，甚至在最有效的線性輸出級，輸出級功耗也很大。這種差異讓D類放大器在許多應(yīng)用中具有重要的優(yōu)勢，因?yàn)檩^低的功耗產(chǎn)生較少的熱量，節(jié)省電路板空間和成本，并延長便攜式系統(tǒng)中的電池壽命。

線性放大器、D類放大器和功耗

線性放大器的輸出級被直接連接到揚(yáng)聲器(在某些情況下通過電容)。如果在輸出級中采用了雙極結(jié)三極管(BJT)，它們通常工作在線性模式，集-射極之間的電壓較大。輸出級也可能采用MOS三極管來實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1：CMOS線性輸出級

功率被耗散在所有線性輸出級，因?yàn)樯蒝_OUT的過程不可避免地在至少一個輸出三極管上造成非零的I_DS和V_DS。功耗的大小高度依賴于輸出三極管所采用的偏置方法。

A類放大器的拓?fù)洳捎闷渲幸恢蝗龢O管作為直流電流源，從而為揚(yáng)聲器提供所需要的最大音頻電流。采用A類輸出級有可能獲得良好的音質(zhì)，但是，功耗過大，因?yàn)樵谳敵黾壍娜龢O管中通常流過大的直流偏置電流(這是我們不希望的)，而這些電流卻沒有流過揚(yáng)聲器(這是我們希望的)。

B類放大器拓?fù)湎酥绷髌秒娏髑覙O大地降低了功耗，其輸出三極管以推拉方式分別受到控制，讓MH器件為揚(yáng)聲器提供正向電流，而ML器件則吸收反向電流。這就降低了輸出級的功耗，只有信號電流流過兩個三極管。B類電路的音質(zhì)稍差，因?yàn)楫?dāng)輸出電流過零時存在非線性行為且三極管此時正好在導(dǎo)通和關(guān)閉兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

AB類放大器混合折衷了A類和B類放大器的優(yōu)勢，采用了一定的直流偏置電流，但是，比純A類設(shè)計要小。小的直流偏置足以防止出現(xiàn)過零失真，從而獲得良好的音質(zhì)。功耗盡管在A類和B類放大器之間，通常比較接近B類放大器。為此，需要采取一些控制措施—類似于B類放大電路，以便讓AB類放大器提供或吸收大的輸出電流。

不幸的是，即使設(shè)計得非常好的AB類放大器也存在很大的功耗，因?yàn)槠渲械确秶妮敵鲭妷和ǔ＿h(yuǎn)遠(yuǎn)小于正電源軌或大于負(fù)電源軌。因此，大的漏-源電壓降會產(chǎn)生很大的I_DS - V_DS瞬時功耗。

由于采用不同的拓?fù)?圖2)，D類放大器比上述任何一類放大器的功耗都要小得多。其輸出級在正負(fù)電源之間切換，因此，產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形對于降低功耗有好處，因?yàn)樵诓磺袚Q時輸出三極管的電流為零；而當(dāng)導(dǎo)通電流時，VDS較小，因此，給出的I_DS - V_DS更小。

圖2：D類開環(huán)放大器的方框圖

因?yàn)榇蠖鄶?shù)音頻信號不是脈沖串，所以，要采用調(diào)制器把音頻信號轉(zhuǎn)換為脈沖。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號和與調(diào)制過程有關(guān)的大量高頻能量。在輸出級和揚(yáng)聲器之間通常要插入一個低通濾波器以最小化電磁干擾，并避免以太多的高頻能量來驅(qū)動揚(yáng)聲器。要采用無損耗的濾波器(圖3)，以保持開關(guān)輸出級功耗低的優(yōu)勢。濾波器通常采用電容和電感構(gòu)成，揚(yáng)聲器是唯一耗能的元件。

圖3：差分開關(guān)輸出級和LC低通濾波器

圖4給出了音頻輸出為正弦波信號的情況下，A類、B類和D類放大器的理想輸出級功耗(P_DISS)與傳遞到揚(yáng)聲器上的功率(P_LOAD)的比較，其中D類放大器采用模擬器件公司的AD1994 D類放大器。功率的數(shù)值被歸一化為功率電平P_LOAD max，其中，正弦信號被壓縮到足以引起10%的總諧波失真(THD)。垂直線表示開始壓縮時的P_LOAD。

圖4：A類、B類和D類放大器輸出級的功耗比較

由此可見，在寬的負(fù)載范圍內(nèi)存在巨大的功耗差。在開始壓縮時，D類輸出級的功耗大約比B類的輸出級小2.5倍，而比A類小27倍。注意：A類輸出級消耗的功率比傳遞給揚(yáng)聲器的功率要更大——這是采用大的直流偏置電流的結(jié)果。

在壓縮開始時，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)。這些最佳情況的A類和B類放大器常常被教科書所引用。

圖5：A類、B類和D類放大器的效率比較

功耗和效率的差異在中等功率電平處加大。這一點(diǎn)對于音頻是重要的，因?yàn)殚L期平均高聲音樂的電平要比瞬時電平——接近P_LOAD max——低得多(小5到20倍，取決于音樂的類型)。因此，對于音頻放大器，[P_LOAD = 0.1 - P_LOAD max]是合理的平均功率電平，在這一點(diǎn)可以評估P_DISS。在該電平，D類輸出級的功耗比B類的功耗小9倍，比A類的小107倍。

對于具有10-W P_LOAD max的音頻放大器，1W的P_LOAD可以被認(rèn)為是現(xiàn)實(shí)的聽音電平。在這個條件下，282 mW被消耗在D類的輸出級，而B類和A類的輸出級則分別要消耗2.53 W和30.2 W。在這種情形下，D類的效率被從較高功率的90%減少到了78%。但是，即使78%也比B類和A類放大器分別28%和3%的效率要高得多。

這些差異對系統(tǒng)設(shè)計有重要的影響。對于1W以上的功率電平，線性輸出級的過多功耗需要很強(qiáng)的冷卻措施以避免無法接受的過熱，通常在放大器上要采用大塊金屬板作為散熱片或采用風(fēng)扇吹空氣來帶走熱量。如果放大器以集成電路形式實(shí)現(xiàn)，那就需要采用大塊和昂貴的熱增強(qiáng)封裝以便于熱的傳遞。這些考慮在諸如平板電視和汽車音響這樣的消費(fèi)產(chǎn)品中是繁重的，這些產(chǎn)品的空間非常寶貴，市場上呈現(xiàn)向有限的空間中添加更多功能的趨勢。

對于小于1W的功率電平，解決浪費(fèi)的功率問題比解決熱生成問題更為困難。如果采用電池供電，線性輸出級比D類放大器更快地耗盡電池。在上述的實(shí)例中，D類輸出級消耗的電源電流比B類小2.8倍，比A類小23.6倍，因此，導(dǎo)致蜂窩電話、PDA和MP3播放器之類產(chǎn)品的電池壽命差異很大。

為了簡化起見，迄今為止的分析都集中在放大器的輸出級。然而，如果考慮到放大器系統(tǒng)中的所有功耗源，在低輸出功率電平，線性放大器比D類放大器更好。原因在于：在低電平生成和調(diào)制開關(guān)波形所需要的功率很大。因此，設(shè)計優(yōu)良的AB類放大器的整個系統(tǒng)的靜態(tài)功耗能夠跟D類放大器媲美。然而，在較高的輸出功率范圍內(nèi)，D類放大器的功耗毫無疑問是無與倫比的。

下一部分將探討D類放大器的端接、差分和單端端接方法。

作者：Eric Gaalaas

Analog Devices Inc.(ADI)