D類(lèi)放大器背后的奧秘

音頻放大器的用途是在發(fā)聲輸出元件上復現輸入音頻信號，提供所需要的音量和功率水平—保證復現的忠實(shí)性、高效率以及低失真度。在這一任務(wù)面前，D類(lèi)放大器表現出多方面的優(yōu)勢。

音頻是指約20Hz到20kHz的頻率范圍，因此一個(gè)音頻放大器在這個(gè)頻段上必須具備出色的頻率響應特性(在驅動(dòng)頻帶有限的低音和高音揚聲器時(shí)，頻響特性較好的頻率范圍可更窄些)。功率能力方面的需求則變化很大，具體指標取決于應用要求，從頭戴式耳機的毫瓦級到TV或PC影響上的數瓦，再到“微型”家庭立體聲音響、汽車(chē)音響，而最高者是功率更強的家用和用于劇場(chǎng)和禮堂的商用音響系統，其功率達到數百瓦甚至更高。

音頻放大器最直截了當的、模擬式的實(shí)現方式是讓晶體管工作在線(xiàn)性模式下，讓輸出電壓以一定比例隨輸入信號電壓變化。前向的電壓增益往往很高(至少40dB)。如果前向增益是反饋回路的一部分，則總的回路增益也將很高。電路中常常要采用反饋，因為很高的環(huán)路增益可以提供更高的性能——抑制前向通路的非線(xiàn)性所造成的失真，并通過(guò)提高電源抑制能力(PSR)來(lái)減小電源噪聲。

在傳統的晶體管放大器中，輸出級包括了提供輸出電流的晶體管。音響系統可以采用的多種實(shí)現形式包括A類(lèi)、AB類(lèi)和B類(lèi)。與D類(lèi)放大器相比，這些電路中，即使是效率最高的線(xiàn)性輸出級，其功率的耗散很大。這一差異反襯出，D類(lèi)放大器在許多應用方面具有顯著(zhù)的優(yōu)勢，因為較小的功率耗散意味著(zhù)更低的發(fā)熱量、電路板空間及成本的節省和便攜式系統的電池工作時(shí)間的延長(cháng)。

所有線(xiàn)性輸出級都會(huì )出現功率的耗散，因為Vout的產(chǎn)生不可避免地造成至少一個(gè)輸出晶體管上出現非零的IDS和VDS。功率耗散的量的大小在很大程度上取決于輸出晶體管的偏置方法。

A類(lèi)架構將架構中的一個(gè)晶體管用作一個(gè)能提供揚聲器所需的最大音頻電流的DC電流源。A類(lèi)輸出級可以提供良好的音響品質(zhì)，但由于輸出級晶體管上往往流過(guò)很大的DC偏置電流(這是我們所不希望出現的)，而這一電流無(wú)法提供給揚聲器(這反而是我們所希望的)，因此會(huì )產(chǎn)生過(guò)大的功率耗散。

B類(lèi)揚聲器取消了DC偏置電流，所耗散的功率大大下降。其輸出晶體管按照推挽方式進(jìn)行分別控制，這樣，其中的一個(gè)器件向揚聲器提供正向電流而另一個(gè)則吸納負向電流。這減少了輸出級的功率耗散，晶體管中只流過(guò)信號電流。然而，B類(lèi)電路的音響質(zhì)量較差，因為當輸出電流過(guò)零點(diǎn)、晶體管在導通和關(guān)斷狀態(tài)間切換時(shí)，其工作在非線(xiàn)性狀態(tài)(交越失真)。

AB類(lèi)輸出電路是A類(lèi)和B類(lèi)電路之間的一種折中，它具有一定的DC偏置電流，但該電流遠小于純A類(lèi)設計所用的電流。小的DC偏置電流足以防止交越失真，從而保證良好的音響質(zhì)量。功率耗散雖然在A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)之間，但一般更接近B類(lèi)。AB類(lèi)電路必須采取某種類(lèi)似于B類(lèi)電路的控制機制，以便能夠提供或者吸納很大的輸出電流。

一種不同的拓撲結構—D類(lèi)放大器的出現，是值得慶幸的事，它所消耗的功率遠低于其他任何一種電路。其輸出級在正、負電源之間來(lái)回切換，以便產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖鏈。這一波形對于降低功率耗散來(lái)說(shuō)是有利的，因為輸出晶體管在不發(fā)生開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)電流為零，而在導通電流時(shí)其兩端電壓很低，因此IDS