D類放大器原理詳解及應(yīng)用設(shè)計(jì)指南(一)

D類放大器早在1958年就被人們提出，近年來(lái)，其應(yīng)用越來(lái)越普及。D類放大器是什么？它們與其它種類的放大器相比怎么樣？為什么音頻應(yīng)用鐘愛(ài)D類放大器？設(shè)計(jì)和應(yīng)用一款優(yōu)良的D類音頻放大器需要怎么做？下面本文嘗試回答所有這些問(wèn)題。

音頻放大器基礎(chǔ)

　　音頻放大器的目標(biāo)是在產(chǎn)生聲音的輸出單元再生輸入的音頻信號(hào)，要求輸出具有期望的音量和功率電平，再生過(guò)程忠實(shí)、有效且失真低，音頻的頻率范圍從20Hz到20kHz，所以，放大器必須在這個(gè)頻段具有良好的頻率響應(yīng)(如果驅(qū)動(dòng)帶限揚(yáng)聲器，如重低音或高音揚(yáng)聲器則較差)。功率性能隨應(yīng)用的不同差異很大，從耳機(jī)的毫瓦級(jí)到電視或個(gè)人電腦的幾瓦級(jí)，乃至于微型家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦級(jí)，更為強(qiáng)大的家庭和商用音響系統(tǒng)則為幾百瓦級(jí)，為的是讓影院或禮堂充滿聲音。

　　音頻放大器的一種直接模擬實(shí)現(xiàn)方案是利用工作于線性模式的三極管來(lái)創(chuàng)建一個(gè)輸出電壓，該電壓完全復(fù)制輸入電壓。正向電壓增益通常非常高(至少40dB)。如果正向增益是反饋環(huán)路的一部分，整個(gè)環(huán)路增益也將很高。常常采用反饋的原因在于高環(huán)路增益改善性能——壓縮因正向路徑的非線性產(chǎn)生的失真，并通過(guò)提高電源抑制比(PSR)來(lái)降低電源噪聲。

D類放大器的優(yōu)勢(shì)

　　在傳統(tǒng)的三極管放大器中，輸出級(jí)包含提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的三極管。音頻系統(tǒng)有許多可能的實(shí)現(xiàn)方案，如A類、AB類和B類放大器，它們與D類放大器設(shè)計(jì)相比，甚至在最有效的線性輸出級(jí)，輸出級(jí)功耗也很大。這種差異讓D類放大器在許多應(yīng)用中具有重要的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檩^低的功耗產(chǎn)生較少的熱量，節(jié)省電路板空間和成本，并延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)中的電池壽命。

線性放大器、D類放大器和功耗

　　線性放大器的輸出級(jí)被直接連接到揚(yáng)聲器(在某些情況下通過(guò)電容)。如果在輸出級(jí)中采用了雙極結(jié)三極管(BJT)，它們通常工作在線性模式，集-射極之間的電壓較大。輸出級(jí)也可能采用MOS三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖1：CMOS線性輸出級(jí)

　　功率被耗散在所有線性輸出級(jí)，因?yàn)樯蒝_OUT的過(guò)程不可避免地在至少一個(gè)輸出三極管上造成非零的I_DS和V_DS。功耗的大小高度依賴于輸出三極管所采用的偏置方法。

　　A類放大器的拓?fù)洳捎闷渲幸恢蝗龢O管作為直流電流源，從而為揚(yáng)聲器提供所需要的最大音頻電流。采用A類輸出級(jí)有可能獲得良好的音質(zhì)，但是，功耗過(guò)大，因?yàn)樵谳敵黾?jí)的三極管中通常流過(guò)大的直流偏置電流(這是我們不希望的)，而這些電流卻沒(méi)有流過(guò)揚(yáng)聲器(這是我們希望的)。

　　B類放大器拓?fù)湎酥绷髌秒娏髑覙O大地降低了功耗，其輸出三極管以推拉方式分別受到控制，讓MH器件為揚(yáng)聲器提供正向電流，而ML器件則吸收反向電流。這就降低了輸出級(jí)的功耗，只有信號(hào)電流流過(guò)兩個(gè)三極管。B類電路的音質(zhì)稍差，因?yàn)楫?dāng)輸出電流過(guò)零時(shí)存在非線性行為且三極管此時(shí)正好在導(dǎo)通和關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

　　AB類放大器混合折衷了A類和B類放大器的優(yōu)勢(shì)，采用了一定的直流偏置電流，但是，比純A類設(shè)計(jì)要小。小的直流偏置足以防止出現(xiàn)過(guò)零失真，從而獲得良好的音質(zhì)。功耗盡管在A類和B類放大器之間，通常比較接近B類放大器。為此，需要采取一些控制措施—類似于B類放大電路，以便讓AB類放大器提供或吸收大的輸出電流。

　　不幸的是，即使設(shè)計(jì)得非常好的AB類放大器也存在很大的功耗，因?yàn)槠渲械确秶妮敵鲭妷和ǔ＿h(yuǎn)遠(yuǎn)小于正電源軌或大于負(fù)電源軌。因此，大的漏-源電壓降會(huì)產(chǎn)生很大的I_DS - V_DS瞬時(shí)功耗。

　　由于采用不同的拓?fù)?圖2)，D類放大器比上述任何一類放大器的功耗都要小得多。其輸出級(jí)在正負(fù)電源之間切換，因此，產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形對(duì)于降低功耗有好處，因?yàn)樵诓磺袚Q時(shí)輸出三極管的電流為零；而當(dāng)導(dǎo)通電流時(shí)，VDS較小，因此，給出的I_DS - V_DS更小。

　　　　　　　　　　　　圖2：D類開(kāi)環(huán)放大器的方框圖

　　因?yàn)榇蠖鄶?shù)音頻信號(hào)不是脈沖串，所以，要采用調(diào)制器把音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號(hào)和與調(diào)制過(guò)程有關(guān)的大量高頻能量。在輸出級(jí)和揚(yáng)聲器之間通常要插入一個(gè)低通濾波器以最小化電磁干擾，并避免以太多的高頻能量來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。要采用無(wú)損耗的濾波器(圖3)，以保持開(kāi)關(guān)輸出級(jí)功耗低的優(yōu)勢(shì)。濾波器通常采用電容和電感構(gòu)成，揚(yáng)聲器是唯一耗能的元件。

　　　　　　　　　　　　圖3：差分開(kāi)關(guān)輸出級(jí)和LC低通濾波器