D類(lèi)放大器原理詳解及應用設計指南(一)

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

音頻放大器基礎

　　音頻放大器的目標是在產(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(guò)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(gè)頻段具有良好的頻率響應(如果驅動(dòng)帶限揚聲器，如重低音或高音揚聲器則較差)。功率性能隨應用的不同差異很大，從耳機的毫瓦級到電視或個(gè)人電腦的幾瓦級，乃至于微型家庭立體聲和汽車(chē)音響的幾十瓦級，更為強大的家庭和商用音響系統則為幾百瓦級，為的是讓影院或禮堂充滿(mǎn)聲音。

　　音頻放大器的一種直接模擬實(shí)現方案是利用工作于線(xiàn)性模式的三極管來(lái)創(chuàng )建一個(gè)輸出電壓，該電壓完全復制輸入電壓。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(gè)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(xiàn)性產(chǎn)生的失真，并通過(guò)提高電源抑制比(PSR)來(lái)降低電源噪聲。

D類(lèi)放大器的優(yōu)勢

　　在傳統的三極管放大器中，輸出級包含提供瞬時(shí)連續輸出電流的三極管。音頻系統有許多可能的實(shí)現方案，如A類(lèi)、AB類(lèi)和B類(lèi)放大器，它們與D類(lèi)放大器設計相比，甚至在最有效的線(xiàn)性輸出級，輸出級功耗也很大。這種差異讓D類(lèi)放大器在許多應用中具有重要的優(yōu)勢，因為較低的功耗產(chǎn)生較少的熱量，節省電路板空間和成本，并延長(cháng)便攜式系統中的電池壽命。

線(xiàn)性放大器、D類(lèi)放大器和功耗

　　線(xiàn)性放大器的輸出級被直接連接到揚聲器(在某些情況下通過(guò)電容)。如果在輸出級中采用了雙極結三極管(BJT)，它們通常工作在線(xiàn)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(lái)實(shí)現，如圖1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖1：CMOS線(xiàn)性輸出級

　　功率被耗散在所有線(xiàn)性輸出級，因為生成V_OUT的過(guò)程不可避免地在至少一個(gè)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(lài)于輸出三極管所采用的偏置方法。

　　A類(lèi)放大器的拓撲采用其中一只三極管作為直流電流源，從而為揚聲器提供所需要的最大音頻電流。采用A類(lèi)輸出級有可能獲得良好的音質(zhì)，但是，功耗過(guò)大，因為在輸出級的三極管中通常流過(guò)大的直流偏置電流(這是我們不希望的)，而這些電流卻沒(méi)有流過(guò)揚聲器(這是我們希望的)。

　　B類(lèi)放大器拓撲消除了直流偏置電流且極大地降低了功耗，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(guò)兩個(gè)三極管。B類(lèi)電路的音質(zhì)稍差，因為當輸出電流過(guò)零時(shí)存在非線(xiàn)性行為且三極管此時(shí)正好在導通和關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài)之間轉換。

　　AB類(lèi)放大器混合折衷了A類(lèi)和B類(lèi)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(lèi)設計要小。小的直流偏置足以防止出現過(guò)零失真，從而獲得良好的音質(zhì)。功耗盡管在A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)放大器之間，通常比較接近B類(lèi)放大器。為此，需要采取一些控制措施—類(lèi)似于B類(lèi)放大電路，以便讓AB類(lèi)放大器提供或吸收大的輸出電流。

　　不幸的是，即使設計得非常好的AB類(lèi)放大器也存在很大的功耗，因為其中等范圍的輸出電壓通常遠遠小于正電源軌或大于負電源軌。因此，大的漏-源電壓降會(huì )產(chǎn)生很大的I_DS - V_DS瞬時(shí)功耗。

　　由于采用不同的拓撲(圖2)，D類(lèi)放大器比上述任何一類(lèi)放大器的功耗都要小得多。其輸出級在正負電源之間切換，因此，產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形對于降低功耗有好處，因為在不切換時(shí)輸出三極管的電流為零；而當導通電流時(shí)，VDS較小，因此，給出的I_DS - V_DS更小。

　　　　　　　　　　　　圖2：D類(lèi)開(kāi)環(huán)放大器的方框圖

　　因為大多數音頻信號不是脈沖串，所以，要采用調制器把音頻信號轉換為脈沖。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號和與調制過(guò)程有關(guān)的大量高頻能量。在輸出級和揚聲器之間通常要插入一個(gè)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(lái)驅動(dòng)揚聲器。要采用無(wú)損耗的濾波器(圖3)，以保持開(kāi)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成，揚聲器是唯一耗能的元件。

　　　　　　　　　　　　圖3：差分開(kāi)關(guān)輸出級和LC低通濾波器