D 类数字放大器的工作原理

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大多数音响发烧友和发烧友在成长过程中至少对放大器的作用有基本的了解。它需要一个微小的交流电信号来代表音乐频率及其幅度（音量水平）的即时变化，并将其强度增加很多倍，以便它们足够强大来驱动扬声器的锥体和圆顶来回移动产生气压变化（波），从而复制原始声波。音调变化慢至每秒 16 次 (16 Hz)（非常低的管风琴音符），快至每秒 15,000 次 (15 kHz) 或更高（例如铙钹或小提琴的最高谐波） 。

高保真模拟放大器
阿拉贡直到最近，大多数高保真音频放大器都是模拟放大器，并且大多数属于 A/B 类类型。这意味着什么？也许理解模拟音频放大器工作原理的最简单方法之一就是将其视为一种伺服控制的“阀门”（后者是英国人所说的真空管），它调节来自墙壁插座和然后将其按一定量释放到扬声器中。

放电量与输入音频信号的快速变化同步。这种微弱的交流信号用于调制电路，释放放大器电源中的大电容器和变压器存储的功率（电压和电流），该功率的释放方式与输入音频信号的微小调制完全平行。

放大器输入级中的信号对输出电路的晶体管施加变化的电导率，从而释放放大器电源的功率来移动扬声器的锥体和圆顶。这几乎就像你快速打开水龙头（你转动水龙头就是音频信号），它会以一种特定的模式释放所有储存的水压——水塔或水库是存储电容器——液体代码。就我们的目的而言，这就是我们需要了解的有关模拟放大的全部信息。

数字扩音
基本上，数字（D ​​类）放大器接收输入的模拟信号，并将其转换为由脉冲宽度组成的数字表示形式。尽管存在多种不同的设计变体，但 D 类放大器本质上是开关放大器或脉宽调制器 (PWM) 设计。输入的模拟音频信号用于调制非常高频的脉冲宽度调制 (PWM) 载波，该载波使输出级完全打开或关闭。随后，必须使用重构滤波器从音频输出中去除该超高频载波，以便不会留下任何超高频开关组件来破坏音频信号。

脉冲宽度和脉冲编码调制的差异
数字放大器的操作有点类似于 CD 或数字录音机使用 PCM（脉冲编码调制）的方式，PCM 是所有数字音频记录媒体的基础。在 PCM 数字录音（例如 CD）中，数字采样 ADC（模数转换器）用 1 和 0 的数字代码“描述”输入的模拟电压和频率。但在数字放大器中，脉宽调制器将低频音频信号描述为数毫秒宽的“脉冲宽度”。 （高频将是一个更窄的脉冲，更少的毫秒宽度——见图）。一旦模拟音频信号（覆盖脉冲的弯曲红色正弦波）被用脉冲宽度“描述”，它就会被放大，然后转换回模拟形式。在此过程中，重建滤波器必须消除所有开和关脉冲，仅留下代表音频信号的较低频率。

电压轨

正如 Axiom 首席研发工程师 Tom Cumberland 所描述的，数字放大器是一个“功率 DAC”，当然 DAC（数模转换器）是所有数字记录媒体的基础，无论是 CD、高分辨率音频、蓝光原声带、DVD 视频等。一些人认为“所有数字放大器都是垃圾”的观点并不正确。事实上，良好的数字音频放大器的时钟频率通常在 350 至 500 kHz（即 500,000 Hz）范围内。 （Axiom 的 A1400 数字放大器使用 450 kHz 时钟频率。）相比之下，即使是最高分辨率的数字音频系统（DVD 音频和用于蓝光原声带的变体）也以 192 kHz 运行，这远远低于时钟频率良好的数字放大器的速率。

D 类放大器的不同形式
虽然我们可能认为“数字”意味着数字放大器中的所有电路都以开/关脉冲工作，但实际上有许多不同的类型，包括具有模拟元件的数字放大器。

数字放大器将具有模拟或数字输入。具有模拟输入的良好数字放大器可以使用模拟反馈网络来降低放大器的失真，这与 A/B 类模拟放大器使用负反馈网络来减少失真的方式非常相似。然而，仅接受数字输入的数字放大器必须依靠输入的数字信号来降低失真。

反馈网络
反馈为什么要建立反馈网络？使用它们的原因是放大器中的所有部件都具有“公差”，这意味着任何特定部件都有其运行的范围或值。任何检查过电阻器等基本部件的人都可能会注意到它们被指定为“5%”或“10%”电阻器，这意味着指定的电阻值分别在5%或10%的范围内准确。因此，由于部件的这些变化，反馈网络“查看”来自放大器的传出信号（进入扬声器的信号），并将其与放大器输入端的传入音频信号进行比较。任何偏离输入信号的值都是失真，因此负反馈网络应用逆校正来补偿。

数字放大器的操作甚至存在差异。

例如，丹麦Bang & Olufsen 的Ice Power 部门开发的“ICE”数字放大器由于零件公差的原因使用了非常复杂的负反馈系统。 B&O 拥有其“ICE”放大器的专利，该放大器基本上是 D 类开关设计（脉宽调制器），B&O 声称其变体可将失真降低到与 A 类放大器相关的水平，同时保留 D 类开关设计的高效率。

“IR”（国际整流器）是 Axiom Audio 在其A1400 数字放大器中使用的系统。 Axiom 与国际整流器公司合作，将零件公差保持在最低限度，这样就可以使用很少的负反馈来纠正输出中的异常情况。这种方法还使放大器的运行更加稳健，而不会受到振荡或不稳定的影响。

Axiom 和 IR 开发了新型硅输出器件，可驱动输出级中的 MOSFET，从而在重构滤波器之前的输出端产生完美的脉宽调制方波。

ICE 和 IR 数字放大器的优缺点
在 ICE 设计中使用的数字放大器类型中使用复杂的负反馈网络的缺点之一是潜在的效率损失（约 83%）。由于时钟速率较慢，性能也可能受到影响。

在 IR 类型的数字设计中，使用很少的负反馈或根本不使用负反馈，时钟速率更高，效率也提高。此外，高效率还与高功率输出和更高的整体分辨率相结合。在全输出时，Axiom 的 A1400 数字放大器的运行效率约为 95%（相比之下，A/B 类模拟放大器的运行效率在 50% 到 60% 之间；其余部分都浪费在热量上）。

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