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D類(lèi)放大器：基本工作原理和近期發(fā)展
作者：
時(shí)間：2013-11-14
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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摘要：D類(lèi)放大器的高效特性，使其成為便攜式和大功率應用的理想選擇。傳統的D類(lèi)放大器需要一個(gè)外部低通濾波器，以從脈寬調制信號(PWM)輸出波形中提取音頻信號。然而，許多現代D類(lèi)放大器采用先進(jìn)的調制技術(shù)，可使各種應用免去外部濾波器并降低電磁干擾(EMI)。省掉外部濾波器不僅降低了電路板的空間要求，同時(shí)也大幅降低了很多便攜式/緊湊型應用的成本。
引言
大多數音頻系統設計工程師都非常清楚，D類(lèi)放大器與線(xiàn)性音頻放大器(如A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi))相比，在功效上有相當的優(yōu)勢。對于線(xiàn)性放大器(如AB類(lèi))來(lái)說(shuō)，偏置元件和輸出晶體管的線(xiàn)性工作方式會(huì )損耗大量功率。因為D類(lèi)放大器的晶體管只是作為開(kāi)關(guān)使用的，用來(lái)控制流過(guò)負載的電流方向，所以輸出級的功耗極低。D類(lèi)放大器的功耗主要來(lái)自輸出晶體管導通阻抗、開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)電流開(kāi)銷(xiāo)。放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類(lèi)放大器對散熱器的要求大為降低，甚至可省掉散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應用。
過(guò)去，基于PWM方式的典型D類(lèi)放大器需要外部濾波元件，會(huì )產(chǎn)生EMI/EMC兼容性問(wèn)題，并且THD+N性能較差，因此與線(xiàn)性放大器相比，它的高效優(yōu)勢大為失色。然而，最新一代的D類(lèi)放大器采用先進(jìn)的調制和反饋技術(shù)，可很好地緩解上述問(wèn)題。
D類(lèi)放大器基礎
現代D類(lèi)放大器使用多種調制器拓撲結構，而最基本的拓撲組合了脈寬調制(PWM)以及三角波(或鋸齒波)振蕩器。圖1給出一個(gè)基于PWM的半橋式D類(lèi)放大器簡(jiǎn)化框圖。它包括一個(gè)脈寬調制器，兩個(gè)輸出MOSFET，和一個(gè)用于恢復被放大的音頻信號的外部低通濾波器(LF和CF)。如圖所示，p溝道和n溝道MOSFET用作電流導向開(kāi)關(guān)，將其輸出節點(diǎn)交替連接至VDD和地。由于輸出晶體管使輸出端在VDD或地之間切換，所以D類(lèi)放大器的最終輸出是一個(gè)高頻方波。大多數D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)頻率(fSW)通常在250kHz至1.5MHz之間。音頻輸入信號對輸出方波進(jìn)行脈寬調制。音頻輸入信號與內部振蕩器產(chǎn)生的三角波(或鋸齒波)進(jìn)行比較，可得到PWM信號。這種調制方式通常被稱(chēng)作"自然采樣"，其中三角波振蕩器作為采樣時(shí)鐘。方波的占空比與輸入信號電平成正比。沒(méi)有輸入信號時(shí)，輸出波形的占空比為50%。圖2顯示了不同輸入信號電平下所產(chǎn)生的PWM輸出波形。
圖1. 該簡(jiǎn)化功能框圖展示了一個(gè)基本的半橋式D類(lèi)放大器的結構。
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