D類音頻放大器設計：概念、原理和方法（上）

D類放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來。那么，什么是D類放大器?它們與其它類型的放大器相比如何? 為什么D類放大器對于音頻應用很有意義?設計一個“優質”D類音頻放大器需要考慮哪些因素? 美國模擬器件公司(簡稱ADI公司)D類放大器產品的特點是什么? 本文中試圖回答上述所有問題。

D類放大器的優點

在傳統晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時連續輸出電流的晶體管。實現音頻系統放大器許多可能的類型包括A類放大器，AB類放大器和B類放大器。與D類放大器設計相比較，即使是最有效的線性輸出級，它們的輸出級功耗也很大。這種差別使得D類放大器在許多應用中具有顯著的優勢，因為低功耗產生熱量較少，節省印制電路板(PCB)面積和成本，并且能夠延長便攜式系統的電池壽命。

線性放大器、D類放大器和功耗

線性放大器輸出級直接連接到揚聲器(有些情況下通過電容器連接)。如果輸出級使用雙極結晶體管(BJT)，它們通常工作在線性方式下，具有大的集射極電壓。輸出級也可以用互補金屬氧化物半導體(CMOS)晶體管實現，如圖1所示。

圖1  CMOS線性輸出級
 
功率消耗在所有線性輸出級，因為產生輸出電壓VOUT的過程中不可避免地會在至少一個輸出晶體管內造成非零的IDS和VDS。功耗大小主要取決于對輸出晶體管的偏置方法。

A類放大器拓撲結構使用一只晶體管作為直流(DC)電流源，能夠提供揚聲器需要的最大音頻電流。A類放大器輸出級可以提供優良的音質，但功耗非常大，因為通常有很大的DC偏置電流流過輸出級晶體管(這是我們不期望的)，而沒有提供給揚聲器(這是我們期望的)。

B類放大器拓撲結構沒有DC偏置電流，所以功耗大大減少。其輸出晶體管是以推拉方式獨立控制，從而允許高端晶體管為揚聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負電流。由于只有信號電流流過晶體管，因而減少了輸出級功耗。但是B類放大器電路的音質較差，因為當輸出電流過零點和晶體管在通斷狀態之間切換時會造成線性誤差(交越失真)。

AB類放大器是A類放大器和B類放大器的組合折衷，它也使用DC偏置電流，但它遠小于單純的A類放大器。小的DC偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質。其功耗介于A類放大器和B類放大器之間，但通常更接近于B類放大器。與B類放大器電路類似，AB類放大器也需要一些控制電路以使其提供或吸收大的輸出電流。

遺憾的是，即使是精心設計AB類放大器也有很大的功耗，因為其中等范圍的輸出電壓通常遠離正電源或負電源。由于漏源極之間的電壓降很大，所以會產生很大的瞬時功耗IDS