資深工程師破解D類放大器的奧秘 - 全文

　　音頻放大器的用途是在發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——保證復現的忠實性、高效率以及低失真度。在這一任務面前，D類放大器表現出多方面的優勢。

　　音頻是指約20Hz到20kHz的頻率范圍，因此一個音頻放大器在這個頻段上必須具備出色的頻率響應特性（在驅動頻帶有限的低音和高音揚聲器時，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mW級到TV或PC影響上的數W，再到“微型” 家庭立體聲音響、汽車音響，而最高者是功率更強的家用和用于劇場和禮堂的商用音響系統，其功率達到數百W甚至更高。

　　音頻放大器最直截了當的、模擬式的實現方式是讓晶體管工作在線性模式下，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，因為很高的環路增益可以提供更高的性能——抑制前向通路的非線性所造成的失真，并通過提高電源抑制能力（PSR）來減小電源噪聲。

　　在常規的晶體管放大器中，輸出級上的晶體管需要提供時刻連續的輸出電流。音響系統可以采用的多種實現形式包括A類、AB類和B類。與D類放大器相比，這些電路中，即使是效率最高的線性輸出級，其功率的耗散很大。這一差異反襯出，D類放大器在許多應用方面具有顯著的優勢，因為較小的功率耗散意味著更低的發熱量、電路板空間及成本的節省和便攜式系統的電池工作時間的延長。

　　所有線性輸出級都會出現功率的耗散，因為Vout的產生不可避免地造成至少一個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類架構將架構中的一個晶體管用作一個能提供揚聲器所需的最大音頻電流的DC電流源。A類輸出級可以提供良好的音響品質，但由于輸出級晶體管上往往流過很大的DC偏置電流（這是我們所不希望出現的），而這一電流無法提供給揚聲器（這反而是我們所希望的），因此會產生過大的功率耗散。

　　B類揚聲器取消了DC偏置電流，所耗散的功率大大下降。其輸出晶體管按照推－拉方式進行分別控制，這樣，其中的一個器件向揚聲器提供正向電流而另一個則吸納負向電流。這減少了輸出級的功率耗散，晶體管中只流過信號電流。然而，B類電路的音響質量較差，因為當輸出電流過0點、晶體管在導通和關斷狀態間切換時，其工作在非線性狀態（交越失真）。

　　AB類輸出電路是A類和B類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量。功率耗散雖然在A類和B類之間，但一般更接近B類。AB類電路必須采取某種類似于B類電路的控制機制，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、負電源之間來回切換，以便產生一個電壓脈沖鏈。這一波形對于降低功率耗散來說是有利的，因為輸出晶體管在不發生開關動作時電流為零，而在導通電流時其兩端電壓很低，因此IDS×VDS值更小。

　　因為大多數音頻信號并非脈沖鏈，因此，必須通過一個調制器來將音頻輸入變換為脈沖。這些脈沖的頻率分量既包括所需要的音頻信號，也包括調制過程引入的顯著的高頻能量。

　　輸出級和揚聲器之間常常要放入一個低通濾波器，以便最大限度地降低電磁干擾（EMI），并避免驅動揚聲器的高頻能量過高。濾波器應該是無損耗的（或者接近無損耗的）以便保證開關輸出級的低功率耗散的優勢。該濾波器通常由電容和電感構成，唯一的一個有意引入的功率耗散元件就是揚聲器本身。

　　喀嗒聲和砰爆聲

　　要保證D類放大器的總體上的優良的音響品質，就必須解決若干問題。

　　放大器導通和關斷會伴隨有令人厭煩的喀嗒聲和砰爆聲。不幸的是，D類放大器中很容易引入這些噪聲，除非能夠在放大器的靜音和非靜音的狀態切換過程中對調制器的狀態、輸出級的定時關系和LC濾波器狀態進行精心的調控。

　　為了避免放大器背景噪聲能造成人耳可以聽到的咝咝聲，在便攜式應用中的低功率放大器的信噪比（SNR）往往要大于90dB，而用于中等功率和大功率的設計的放大器的SNR應分別為100dB和110dB以上。多種類型的放大器實現方案都可以做到這一點，但在放大器設計中應該追蹤各個噪聲源，以確?？偟腟NR達到令人滿意的程度。

　　產生失真的機制包括調制技術或者調制器實現方案中的非線性，以及為了防止直通（shoot-through）電流問題而在輸出級引入的“死區”（dead time）。

　　關于音頻信號強度的信息通常是通過D類調制器輸出脈沖的寬度來編碼的。為了防止輸出級的直通電流而引入死區，就會帶來非線性的定時誤差，這又會在揚聲器上產生與相對于理想脈沖寬度的定時誤差成正比的失真量。為了最大限度減小失真，避免直通而引入的死區時間應該盡可能縮短。

　　其它的失真源包括輸出脈沖的上升和下降時間的不匹配、輸出晶體管柵極驅動電路的定時特性的不匹配以及LC低通濾波器的元件的非線性。

　　在電源波動抑制能力方面，電源噪聲幾乎可以在受到很小的抑制的情況下，直接耦合到揚聲器上。之所以如此，是因為輸出級的晶體管將電源通過一個很小的電阻直接連接到低通濾波器上。濾波器可以抑制高頻噪聲，但可以通過所有音頻分量，包括噪聲。

　　如果失真和電源問題都不能得到解決的話，就很難實現優于10dB的PSR或者優于0.1%的總諧波失真。更糟糕的是，THD屬于會發出難聽的聲音的、高階的分量。

　　幸運的是，這些問題有兩種解決方案。如果音響設計者使用帶很高環路增益的反饋的話（正如許多線性放大器設計），則會大大提高電路性能。來自于LC濾波器輸入的反饋將大大改善PSR，并衰減所有的非LC濾波器失真。LC濾波器的非線性可以通過將揚聲器也納入反饋環路的方法來衰減。在設計合理的閉環D類放大器中，設計者可以獲得高保真級的音響品質：PSR》60dB，THD《0.01%。

　　系統成本

　　影響采用D類放大器的音響系統的總成本的重要因素到底是哪些？設計者如何才能最大限度降低成本？

　　D類放大器的有源元件是開關輸出級和調制器。該電路的成本可以大致與模擬線性放大器的成本相當，而系統的其他元件上是需要真正付出代價的地方。

　　D類放大器的較低的功率耗散可以為其省下冷卻裝置（散熱器或者風扇）的成本（和空間）。D類集成電路放大器可以使用一個比線性放大器更小的、更便宜的封裝。在利用數字音頻信號源進行播放時，模擬的線性放大器需要通過數字－模擬變換器來將音頻信號變換為模擬形式。模擬輸入的D類放大器也需要數模變換器，但數字輸入型電路可以有效的集成一個D/A轉換器功能。

　　另一方面，D類放大器在成本上的主要缺點就在于它要使用LC濾波器。該元件——特別是電感——將占用電路板空間并增加成本。在大功率的放大器中，總的系統成本仍然具有競爭力，因為在冷卻裝置方面實現的極大的成本節約可以抵消LC濾波器的成本的增加。但是，在對成本敏感的、低功耗的應用中，電感的成本是巨大的。在極端情況下，如手機用的低價位放大器，放大器IC的成本可能低于總的LC濾波器的成本。此外，即使不考慮成本，LC濾波器所占用的電路板空間對于小外形尺寸的應用來說也是一個問題。

　　為了解決這些問題，有時人們干脆取消LC濾波器，即采用一個無濾波的放大器。這可以節約成本和空間，雖然不能享受到低通濾波的好處。如果沒有濾波器的話，EMI和高頻功率耗散可能會增加到令人無法接受的地步，除非揚聲器是電感性的，其位置緊鄰放大器，而且電路環面積很小，功率水平很低。雖然在手機等便攜式應用中常?？梢宰鞯竭@一點，但該技術并不適用于功率更大的系統，如家用立體聲音響。

　　另一個方法是盡可能減少每個通道的LC濾波元件。這可以通過采用單端的半橋式輸出級電路來實現，這種電路結構所需要的電感和電容的數量是差動式的、全橋式的電路的一半。但是，如果半橋需要采用雙極型電源的話，則產生負電源所需的成本也高得讓人無法接受，除非由于另外的考慮而采用了某種負電源的話—— 或者，放大器有足夠的音頻通道，以便分攤采用負電源所帶來的成本上升。另一方面，半橋電源也可以依靠單電源來供電，但輸出功率必須降低，而且它也往往需要采用一個很大的DC隔直電容。

　　D類放大器的輸出級在正、負電源之間進行開關切換，產生一系列電壓脈沖，而不是像傳統音頻應用中的A、B、AB類放大器那樣產生線性輸出。其輸出通過一個無源的LC低通濾波器來驅動一個揚聲器。輸出晶體管在關斷時電流為零，而導通時的電壓降很小，這使得D類放大器的功率耗散遠遠低于其他方案。因此，D類放大器的功耗更低，占用的電路板空間更小，而且讓便攜式系統中的電池的工作壽命得以延長，因此是音響應用的理想選擇。

　　音響設計師在研制高性能的D類音響放大器時需要仔細考慮多種細節，包括輸出晶體管尺寸的選擇、輸出級的保護、調制技術和濾波器拓撲等。除了預期的音質外，EMI的削減和系統成本也是要考慮的因素。

　　幸運的是，可以買到的商業化集成電路產品即可以實現整個D類放大器的功能，其中包含了增益可編程的放大器、調制器和輸出級，以減少音響設計者的工作量和縮短上市時間。評估板、PC板布局布線和合理的材料清單，使得人們可以快速設計出成本經濟性好的音響系統，而不必重復開發D類放大器的主要部分。