D類(lèi)放大器原理詳解及應用設計指南(一)

　　圖4給出了音頻輸出為正弦波信號的情況下，A類(lèi)、B類(lèi)和D類(lèi)放大器的理想輸出級功耗(P_DISS)與傳遞到揚聲器上的功率(P_LOAD)的比較，其中D類(lèi)放大器采用模擬器件公司的AD1994 D類(lèi)放大器。功率的數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(xiàn)表示開(kāi)始壓縮時(shí)的P_LOAD。

　　　　　　　圖4：A類(lèi)、B類(lèi)和D類(lèi)放大器輸出級的功耗比較

　　由此可見(jiàn)，在寬的負載范圍內存在巨大的功耗差。在開(kāi)始壓縮時(shí)，D類(lèi)輸出級的功耗大約比B類(lèi)的輸出級小2.5倍，而比A類(lèi)小27倍。注意：A類(lèi)輸出級消耗的功率比傳遞給揚聲器的功率要更大——這是采用大的直流偏置電流的結果。

　　在壓縮開(kāi)始時(shí)，A類(lèi)放大器的Eff = 25%；B類(lèi)放大器的Eff =78.5%；D類(lèi)放大器的Eff =90%(見(jiàn)圖5)。這些最佳情況的A類(lèi)和B類(lèi)放大器常常被教科書(shū)所引用。

　　　　　　　　　圖5：A類(lèi)、B類(lèi)和D類(lèi)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，因為長(cháng)期平均高聲音樂(lè )的電平要比瞬時(shí)電平——接近P_LOAD max——低得多(小5到20倍，取決于音樂(lè )的類(lèi)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(lèi)輸出級的功耗比B類(lèi)的功耗小9倍，比A類(lèi)的小107倍。

　　對于具有10-W P_LOAD max的音頻放大器，1W的P_LOAD可以被認為是現實(shí)的聽(tīng)音電平。在這個(gè)條件下，282 mW被消耗在D類(lèi)的輸出級，而B(niǎo)類(lèi)和A類(lèi)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(lèi)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(lèi)和A類(lèi)放大器分別28%和3%的效率要高得多。

　　這些差異對系統設計有重要的影響。對于1W以上的功率電平，線(xiàn)性輸出級的過(guò)多功耗需要很強的冷卻措施以避免無(wú)法接受的過(guò)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(lái)帶走熱量。如果放大器以集成電路形式實(shí)現，那就需要采用大塊和昂貴的熱增強封裝以便于熱的傳遞。這些考慮在諸如平板電視和汽車(chē)音響這樣的消費產(chǎn)品中是繁重的，這些產(chǎn)品的空間非常寶貴，市場(chǎng)上呈現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，解決浪費的功率問(wèn)題比解決熱生成問(wèn)題更為困難。如果采用電池供電，線(xiàn)性輸出級比D類(lèi)放大器更快地耗盡電池。在上述的實(shí)例中，D類(lèi)輸出級消耗的電源電流比B類(lèi)小2.8倍，比A類(lèi)小23.6倍，因此，導致蜂窩電話(huà)、PDA和MP3播放器之類(lèi)產(chǎn)品的電池壽命差異很大。

　　為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，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中的所有功耗源，在低輸出功率電平，線(xiàn)性放大器比D類(lèi)放大器更好。原因在于：在低電平生成和調制開(kāi)關(guān)波形所需要的功率很大。因此，設計優(yōu)良的AB類(lèi)放大器的整個(gè)系統的靜態(tài)功耗能夠跟D類(lèi)放大器媲美。然而，在較高的輸出功率范圍內，D類(lèi)放大器的功耗毫無(wú)疑問(wèn)是無(wú)與倫比的。

下一部分將探討D類(lèi)放大器的端接、差分和單端端接方法。