過去兩三年間，設(shè)計(jì)人員通過添加新特性已增強(qiáng)了眾多終端設(shè)備，其中之一就是加強(qiáng)了音頻功能。該潮流影響了許多消費(fèi)類產(chǎn)品，如平板顯示器、PDA 以及移動(dòng)電話等。隨著對(duì)性能的要求不斷提高，人們也要求音頻放大器具有更多特性，包括以更高功率水平將更佳音頻質(zhì)量推進(jìn)到更低阻抗負(fù)載中的基本需求。一般來說，AB 類放大器已能夠較好地應(yīng)付這些終端設(shè)備的早期性能與成本要求，但線性放大器的特點(diǎn)已不再適應(yīng)消費(fèi)者的需求。因此，D 類放大器（又稱線性放大器）在可提供更高音頻功能的消費(fèi)類產(chǎn)品的使用方面正向 AB類放大器提出挑戰(zhàn)。今天，諸如 LCD 電視、等離子電視及臺(tái)式替代型 PC 等許多終端設(shè)備均要求以相似的成本提供更高的輸出功率，同時(shí)還要保持甚至降低尺寸。這種潮流加大了對(duì)更多 D 類設(shè)備的需求，也開放了許多原先由傳統(tǒng)線性放大器提供服務(wù)的市場(chǎng)空間。

D類放大器

消費(fèi)類產(chǎn)品廠商正向 D 類放大器轉(zhuǎn)移的主要原因在于其極高的效率，這將意味著它產(chǎn)生的熱量?jī)H為線性放大器的一半。中的圖示清晰地反映出，隨著功率增加，D 類放大器迅速達(dá)到 85% 的效率，而線性放大器的效率隨功率增長(zhǎng)的速度則相當(dāng)緩慢。大多數(shù)人聽取電視音響的范圍在 2～4W 之間。在這一層次上，當(dāng)把 D 類與線性放大器進(jìn)行比較時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn) D 類放大器的效率增長(zhǎng)了4倍。效率改善與放大器產(chǎn)生的熱量成反比。因此，就相同的輸出功率而言，線性放大器需要更大的散熱片，從而加大了它與 D 類放大器相比的尺寸。
: 效率與輸出功率
為進(jìn)一步說明 D 類放大器在散熱及輸出功率方面的實(shí)際優(yōu)勢(shì)，德州儀器 (TI) 將某種品牌無線電或隨身設(shè)備 (HU) (head unit) 的線性功率放大器改為 D 類放大器。該實(shí)驗(yàn)中，我們需要將熱敏電阻放在散熱片上，根據(jù)不同的輸出功率測(cè)量環(huán)境溫度。顯示了線性放大器和 D 類放大器之間的性能差異，這反映出 D 類技術(shù)能夠高效地提高輸出功率，同時(shí)減小消費(fèi)類產(chǎn)品的尺寸與成本。

圖 2：溫度與輸出功率
那么效率是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

D類放大器與開關(guān)模式電源的工作方式相似，其中輸出MOSFET可能是完全啟動(dòng)（飽和）或完全關(guān)閉（切斷）的。其效果在于減小晶體管的功耗，并增加放大器的效率。不幸的是，開關(guān)時(shí)間和非交換時(shí)間中總會(huì)有損失（開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損失）。

出現(xiàn)開關(guān)時(shí)間中的損耗是由于FET的上升時(shí)間和下降時(shí)間大于零。出現(xiàn)這種情況有幾個(gè)原因。，輸出晶體管不能瞬時(shí)交換。從漏極到源極的通道要求一段特定的形成時(shí)間。第二，晶體管柵源電容和寄生電阻的痕跡形成RC時(shí)間常量，也增加了上升和下降時(shí)間。

在非開關(guān)時(shí)間中的功耗是由于每個(gè)FET 的RDS(ON) 和晶體管中的電流導(dǎo)致的。

但從總體而言，D類放大器的損失是的，正是由于該器件的交換性質(zhì)，才使放大器實(shí)現(xiàn)了高得多的效率。其開關(guān)技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，它可比較輸入模擬信號(hào)和高頻率三角波形（通常為250 kHz），以生成輸出波形。該波形隨后驅(qū)動(dòng)MOSFET H橋。隨后形成的差動(dòng)波形是PWM方波信號(hào)，其占空比與音頻信號(hào)的振福成正比。來自H橋的信號(hào)通過輸出濾波器驅(qū)動(dòng)喇叭，或直接連接至喇叭（參見TI的TPA2000D和TPA3000D無濾波器系列產(chǎn)品）。顯示了D類輸出級(jí)就橋接式負(fù)載（BTL）配置而進(jìn)行的典型配置。

圖 3：D類放大器的典型配置
調(diào)制方案在確定所需濾波器類型方面發(fā)揮著重要的作用。例如，代TI 的D類放大器要求LC濾波器。顯示了種使用的調(diào)制方案類型。在本方案中，當(dāng)無輸入信號(hào)時(shí)，差動(dòng)PWM輸出信號(hào)的占空比為50%。這50% 的占空比不生成可以聽到的聲音，因?yàn)槠骄ㄐ螢榱?。但是，它?huì)從喇叭吸收并使用大量電流，這會(huì)導(dǎo)致不必要的功耗?，F(xiàn)在，隨著輸入電壓的增加，正極OUT+的占空也隨之增加，而負(fù)極OUT-的占空比則會(huì)減小。
圖 4：傳統(tǒng)D類調(diào)制的輸出電壓和電流波形
就該類型的調(diào)制方案而言，應(yīng)當(dāng)實(shí)施二階Butterworth低通濾波器。如所示，該濾波器采用了兩個(gè)電感和三個(gè)電容器作為典型的橋接式負(fù)載輸出。該濾波器主要作為電感，在電壓交換時(shí)使輸出電流保持一致，這減少了低狀態(tài)功耗或無輸入信號(hào)時(shí)的功耗。
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圖 5：典型的二階Butterworth濾波器設(shè)計(jì)
該濾波器的主要缺陷是其超大尺寸及外部器件成本。此類調(diào)制方案無需濾波器即可使用而不影響保真度。由于揚(yáng)聲器既具電阻性又具電感性而且D類開關(guān)波形通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生高電壓，所以效率上的增益將受到損失。從而導(dǎo)致較高的電源電流，也喪失了D類帶來的效率優(yōu)勢(shì)。

輸出的較高電感產(chǎn)生較低的靜電電流（無輸入的電源電流），因?yàn)槠湎拗屏溯敵黾y波電流的數(shù)量。L1 與 L2 感應(yīng)器以及 C1 電容器構(gòu)成差動(dòng)濾波器，每十進(jìn)即以40dB的斜率衰減信號(hào)。開關(guān)電流主要通過 C1、C2及C3，揚(yáng)聲器消耗的電流極少。

該濾波器還極大地減少了電磁干擾 (EMI)。EMI 是由電流瞬時(shí)變動(dòng)產(chǎn)生的磁 (H) 場(chǎng)或差動(dòng)電壓產(chǎn)生的電 (E) 場(chǎng)形成的。中的濾波器包括共模及差動(dòng)濾波器，所以其不僅可減少了磁場(chǎng)還可減少電場(chǎng)。

在TI 新一代的 D 類放大器 TPA2000D 以及 TPA3000D 產(chǎn)品系列中，調(diào)制方案經(jīng)過修改，只產(chǎn)生非常短的差動(dòng)功率脈沖，以避免無輸入信號(hào)時(shí)發(fā)生"擊穿"。就TPA2005D1 而言，這就使電源電流增加了不足3mA ，且負(fù)載在交換頻率上具有感應(yīng)性及電阻性。圖 6 顯示了TI 的無濾波器 D 類調(diào)制方案的輸出波形。

圖 6：新一代D類調(diào)制的輸出電壓和電流波形
該創(chuàng)新性調(diào)制方案不再需要二階Butterworth低通濾波器，從而極大減少了系統(tǒng)成本以及解決方案尺寸。EMI可能還是一個(gè)問題，但實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示，與放大器輸出串聯(lián)的鐵氧體磁環(huán)及接地電容器實(shí)際上起到了共模濾波器的作用，因此也減小了電場(chǎng)，換言之也減小了振幅或MHz范圍的交換和聲（見）。典型使用的電容以及鐵氧體磁環(huán)值分別為1 nF和100 W @ 100 MHz。這有利于必須通過 FCC 和 CE 標(biāo)準(zhǔn)的電路，因?yàn)?FCC 和 CE 測(cè)試大于 30MHZ 的輻射量。

圖 7：新一代D類調(diào)制的輸出電壓和電流波形
通過使用上述調(diào)制方法，由于正負(fù)輸出信號(hào)是同相的，因此負(fù)載的差動(dòng)電壓在大多數(shù)開關(guān)周期都均為零伏。這極大降低了交換電流，從而也就消除了負(fù)載中的功耗。

結(jié)論

D類放大器的選擇范圍正在不斷擴(kuò)大，也使得各種消費(fèi)者終端設(shè)備（如平板顯示器、PDA、智能電話、移動(dòng)電話、汽車無線電等）的設(shè)計(jì)者能夠提高功率性能，同時(shí)保持甚至減小尺寸和降低成本。D類放大器的時(shí)代使得設(shè)計(jì)人員能夠在各種產(chǎn)品中實(shí)施高性能音頻，給消費(fèi)者帶來較以往更"低熱"的體驗(yàn)。