D類(lèi)音頻放大器設計：概念、原理和方法（上）

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)放大器對于音頻應用很有意義?設計一個(gè)“優(yōu)質(zhì)”D類(lèi)音頻放大器需要考慮哪些因素? 美國模擬器件公司(簡(jiǎn)稱(chēng)ADI公司)D類(lèi)放大器產(chǎn)品的特點(diǎn)是什么? 本文中試圖回答上述所有問(wèn)題。

D類(lèi)放大器的優(yōu)點(diǎn)

在傳統晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時(shí)連續輸出電流的晶體管。實(shí)現音頻系統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)放大器設計相比較，即使是最有效的線(xiàn)性輸出級，它們的輸出級功耗也很大。這種差別使得D類(lèi)放大器在許多應用中具有顯著(zhù)的優(yōu)勢，因為低功耗產(chǎn)生熱量較少，節省印制電路板(PCB)面積和成本，并且能夠延長(cháng)便攜式系統的電池壽命。

線(xiàn)性放大器、D類(lèi)放大器和功耗

線(xiàn)性放大器輸出級直接連接到揚聲器(有些情況下通過(guò)電容器連接)。如果輸出級使用雙極結晶體管(BJT)，它們通常工作在線(xiàn)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(shí)現，如圖1所示。

圖1  CMOS線(xiàn)性輸出級
 
功率消耗在所有線(xiàn)性輸出級，因為產(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(lèi)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(lèi)放大器輸出級可以提供優(yōu)良的音質(zhì)，但功耗非常大，因為通常有很大的DC偏置電流流過(guò)輸出級晶體管(這是我們不期望的)，而沒(méi)有提供給揚聲器(這是我們期望的)。

B類(lèi)放大器拓撲結構沒(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(guò)晶體管，因而減少了輸出級功耗。但是B類(lèi)放大器電路的音質(zhì)較差，因為當輸出電流過(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(xiàn)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(yíng)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。

遺憾的是，即使是精心設計AB類(lèi)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(huì )產(chǎn)生很大的瞬時(shí)功耗IDS