D类放大器原理详解及应用设计指南(一)

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D类放大器早在1958年就被人们提出，近年来，其应用越来越普及。D类放大器是什么？它们与其它种类的放大器相比怎么样？为什么音频应用钟爱D类放大器？设计和应用一款优良的D类音频放大器需要怎么做？下面本文尝试回答所有这些问题。

音频放大器基础
音频放大器的目标是在产生声音的输出单元再生输入的音频信号，要求输出具有期望的音量和功率电平，再生过程忠实、有效且失真低，音频的频率范围从20Hz到20kHz，所以，放大器必须在这个频段具有良好的频率响应(如果驱动带限扬声器，如重低音或高音扬声器则较差)。功率性能随应用的不同差异很大，从耳机的毫瓦级到电视或个人电脑的几瓦级，乃至于微型家庭立体声和汽车音响的几十瓦级，更为强大的家庭和商用音响系统则为几百瓦级，为的是让影院或礼堂充满声音。
音频放大器的一种直接模拟实现方案是利用工作于线性模式的三极管来创建一个输出电压，该电压完全复制输入电压。正向电压增益通常非常高(至少40dB)。如果正向增益是反馈环路的一部分，整个环路增益也将很高。常常采用反馈的原因在于高环路增益改善性能——压缩因正向路径的非线性产生的失真，并通过提高电源抑制比(PSR)来降低电源噪声。
D类放大器的优势
在传统的三极管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的三极管。音频系统有许多可能的实现方案，如A类、AB类和B类放大器，它们与D类放大器设计相比，甚至在最有效的线性输出级，输出级功耗也很大。这种差异让D类放大器在许多应用中具有重要的优势，因为较低的功耗产生较少的热量，节省电路板空间和成本，并延长便携式系统中的电池寿命。
线性放大器、D类放大器和功耗
线性放大器的输出级被直接连接到扬声器(在某些情况下通过电容)。如果在输出级中采用了双极结三极管(BJT)，它们通常工作在线性模式，集-射极之间的电压较大。输出级也可能采用MOS三极管来实现，如图1所示。

图1：CMOS线性输出级
功率被耗散在所有线性输出级，因为生成VOUT的过程不可避免地在至少一个输出三极管上造成非零的IDS和VDS。功耗的大小高度依赖于输出三极管所采用的偏置方法。
A类放大器的拓扑采用其中一只三极管作为直流电流源，从而为扬声器提供所需要的最大音频电流。采用A类输出级有可能获得良好的音质，但是，功耗过大，因为在输出级的三极管中通常流过大的直流偏置电流(这是我们不希望的)，而这些电流却没有流过扬声器(这是我们希望的)。
B类放大器拓扑消除了直流偏置电流且极大地降低了功耗，其输出三极管以推拉方式分别受到控制，让MH器件为扬声器提供正向电流，而ML器件则吸收反向电流。这就降低了输出级的功耗，只有信号电流流过两个三极管。B类电路的音质稍差，因为当输出电流过零时存在非线性行为且三极管此时正好在导通和关闭两个状态之间转换。
AB类放大器混合折衷了A类和B类放大器的优势，采用了一定的直流偏置电流，但是，比纯A类设计要小。小的直流偏置足以防止出现过零失真，从而获得良好的音质。功耗尽管在A类和B类放大器之间，通常比较接近B类放大器。为此，需要采取一些控制措施—类似于B类放大电路，以便让AB类放大器提供或吸收大的输出电流。
不幸的是，即使设计得非常好的AB类放大器也存在很大的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远远小于正电源轨或大于负电源轨。因此，大的漏-源电压降会产生很大的IDS - VDS瞬时功耗。
由于采用不同的拓扑(图2)，D类放大器比上述任何一类放大器的功耗都要小得多。其输出级在正负电源之间切换，因此，产生一串电压脉冲。这种波形对于降低功耗有好处，因为在不切换时输出三极管的电流为零；而当导通电流时，VDS较小，因此，给出的IDS - VDS更小。

图2：D类开环放大器的方框图
因为大多数音频信号不是脉冲串，所以，要采用调制器把音频信号转换为脉冲。脉冲的频率成分包括需要的音频信号和与调制过程有关的大量高频能量。在输出级和扬声器之间通常要插入一个低通滤波器以最小化电磁干扰，并避免以太多的高频能量来驱动扬声器。要采用无损耗的滤波器(图3)，以保持开关输出级功耗低的优势。滤波器通常采用电容和电感构成，扬声器是唯一耗能的元件。

图3：差分开关输出级和LC低通滤波器
图4给出了音频输出为正弦波信号的情况下，A类、B类和D类放大器的理想输出级功耗(PDISS)与传递到扬声器上的功率(PLOAD)的比较，其中D类放大器采用模拟器件公司的AD1994 D类放大器。功率的数值被归一化为功率电平PLOAD max，其中，正弦信号被压缩到足以引起10%的总谐波失真(THD)。垂直线表示开始压缩时的PLOAD。

图4：A类、B类和D类放大器输出级的功耗比较
由此可见，在宽的负载范围内存在巨大的功耗差。在开始压缩时，D类输出级的功耗大约比B类的输出级小2.5倍，而比A类小27倍。注意：A类输出级消耗的功率比传递给扬声器的功率要更大——这是采用大的直流偏置电流的结果。

在压缩开始时，A类放大器的Eff = 25%；B类放大器的Eff =78.5%；D类放大器的Eff =90%(见图5)。这些最佳情况的A类和B类放大器常常被教科书所引用。

图5：A类、B类和D类放大器的效率比较
功耗和效率的差异在中等功率电平处加大。这一点对于音频是重要的，因为长期平均高声音乐的电平要比瞬时电平——接近PLOAD max——低得多(小5到20倍，取决于音乐的类型)。因此，对于音频放大器，[PLOAD = 0.1 - PLOAD max]是合理的平均功率电平，在这一点可以评估PDISS。在该电平，D类输出级的功耗比B类的功耗小9倍，比A类的小107倍。
对于具有10-W PLOAD max的音频放大器，1W的PLOAD可以被认为是现实的听音电平。在这个条件下，282 mW被消耗在D类的输出级，而B类和A类的输出级则分别要消耗2.53 W和30.2 W。在这种情形下，D类的效率被从较高功率的90%减少到了78%。但是，即使78%也比B类和A类放大器分别28%和3%的效率要高得多。
这些差异对系统设计有重要的影响。对于1W以上的功率电平，线性输出级的过多功耗需要很强的冷却措施以避免无法接受的过热，通常在放大器上要采用大块金属板作为散热片或采用风扇吹空气来带走热量。如果放大器以集成电路形式实现，那就需要采用大块和昂贵的热增强封装以便于热的传递。这些考虑在诸如平板电视和汽车音响这样的消费产品中是繁重的，这些产品的空间非常宝贵，市场上呈现向有限的空间中添加更多功能的趋势。
对于小于1W的功率电平，解决浪费的功率问题比解决热生成问题更为困难。如果采用电池供电，线性输出级比D类放大器更快地耗尽电池。在上述的实例中，D类输出级消耗的电源电流比B类小2.8倍，比A类小23.6倍，因此，导致蜂窝电话、PDA和MP3播放器之类产品的电池寿命差异很大。
为了简化起见，迄今为止的分析都集中在放大器的输出级。然而，如果考虑到放大器系统中的所有功耗源，在低输出功率电平，线性放大器比D类放大器更好。原因在于：在低电平生成和调制开关波形所需要的功率很大。因此，设计优良的AB类放大器的整个系统的静态功耗能够跟D类放大器媲美。然而，在较高的输出功率范围内，D类放大器的功耗毫无疑问是无与伦比的。
下一部分将探讨D类放大器的端接、差分和单端端接方法。