D 类放大器背后的奥秘

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音频放大器的用途是在发声输出元件上复现输入音频信号，提供所需要的音量和功率水平——保证复现的忠实性、高效率以及低失真度。在这一任务面前，D类放大器表现出多方面的优势。

音频是指约20Hz到20kHz的频率范围，因此一个音频放大器在这个频段上必须具备出色的频率响应特性（在驱动频带有限的低音和高音扬声器时，频响特性较好的频率范围可更窄些）。功率能力方面的需求则变化很大，具体指标取决于应用要求，从头戴式耳机的mW级到TV或PC影响上的数W，再到“微型”家庭立体声音响、汽车音响，而最高者是功率更强的家用和用于剧场和礼堂的商用音响系统，其功率达到数百W甚至更高。

音频放大器最直截了当的、模拟式的实现方式是让晶体管工作在线性模式下，让输出电压以一定比例随输入信号电压变化。前向的电压增益往往很高（至少40dB）。如果前向增益是反馈回路的一部分，则总的回路增益也将很高。电路中常常要采用反馈，因为很高的环路增益可以提供更高的性能——抑制前向通路的非线性所造成的失真，并通过提高电源抑制能力（PSR）来减小电源噪声。


在常规的晶体管放大器中，输出级上的晶体管需要提供时刻连续的输出电流。音响系统可以采用的多种实现形式包括A类、AB类和B类。与D类放大器相比，这些电路中，即使是效率最高的线性输出级，其功率的耗散很大。这一差异反衬出，D类放大器在许多应用方面具有显著的优势，因为较小的功率耗散意味着更低的发热量、电路板空间及成本的节省和便携式系统的电池工作时间的延长。


所有线性输出级都会出现功率的耗散，因为Vout的产生不可避免地造成至少一个输出晶体管上出现非零的IDS和VDS。功率耗散的量的大小在很大程度上取决于输出晶体管的偏置方法。

A类架构将架构中的一个晶体管用作一个能提供扬声器所需的最大音频电流的DC电流源。A类输出级可以提供良好的音响品质，但由于输出级晶体管上往往流过很大的DC偏置电流（这是我们所不希望出现的），而这一电流无法提供给扬声器（这反而是我们所希望的），因此会产生过大的功率耗散。

B类扬声器取消了DC偏置电流，所耗散的功率大大下降。其输出晶体管按照推－拉方式进行分别控制，这样，其中的一个器件向扬声器提供正向电流而另一个则吸纳负向电流。这减少了输出级的功率耗散，晶体管中只流过信号电流。然而，B类电路的音响质量较差，因为当输出电流过0点、晶体管在导通和关断状态间切换时，其工作在非线性状态（交越失真）。

AB类输出电路是A类和B类电路之间的一种折中，它具有一定的DC偏置电流，但该电流远小于纯A类设计所用的电流。小的DC偏置电流足以防止交越失真，从而保证良好的音响质量。功率耗散虽然在A类和B类之间，但一般更接近B类。AB类电路必须采取某种类似于B类电路的控制机制，以便能够提供或者吸纳很大的输出电流。

一种不同的拓扑结构——D类放大器——的出现，是值得庆幸的事，它所消耗的功率远低于其他任何一种电路。其输出级在正、负电源之间来回切换，以便产生一个电压脉冲链。这一波形对于降低功率耗散来说是有利的，因为输出晶体管在不发生开关动作时电流为零，而在导通电流时其两端电压很低，因此IDS×VDS值更小。

因为大多数音频信号并非脉冲链，因此，必须通过一个调制器来将音频输入变换为脉冲。这些脉冲的频率分量既包括所需要的音频信号，也包括调制过程引入的显著的高频能量。

输出级和扬声器之间常常要放入一个低通滤波器，以便最大限度地降低电磁干扰（EMI），并避免驱动扬声器的高频能量过高。滤波器应该是无损耗的（或者接近无损耗的）以便保证开关输出级的低功率耗散的优势。该滤波器通常由电容和电感构成，唯一的一个有意引入的功率耗散元件就是扬声器本身。

喀嗒声和砰爆声

要保证D类放大器的总体上的优良的音响品质，就必须解决若干问题。

放大器导通和关断会伴随有令人厌烦的喀嗒声和砰爆声。不幸的是，D类放大器中很容易引入这些噪声，除非能够在放大器的静音和非静音的状态切换过程中对调制器的状态、输出级的定时关系和LC滤波器状态进行精心的调控。

为了避免放大器背景噪声能造成人耳可以听到的咝咝声，在便携式应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设计的放大器的SNR应分别为100dB和110dB以上。多种类型的放大器实现方案都可以做到这一点，但在放大器设计中应该追踪各个噪声源，以确保总的SNR达到令人满意的程度。

产生失真的机制包括调制技术或者调制器实现方案中的非线性——以及为了防止直通（shoot-through）电流问题而在输出级引入的“死区”（deadtime）。

关于音频信号强度的信息通常是通过D类调制器输出脉冲的宽度来编码的。为了防止输出级的直通电流而引入死区，就会带来非线性的定时误差，这又会在扬声器上产生与相对于理想脉冲宽度的定时误差成正比的失真量。为了最大限度减小失真，避免直通而引入的死区时间应该尽可能缩短。

其它的失真源包括输出脉冲的上升和下降时间的不匹配、输出晶体管栅极驱动电路的定时特性的不匹配以及LC低通滤波器的元件的非线性。

在电源波动抑制能力方面，电源噪声几乎可以在受到很小的抑制的情况下，直接耦合到扬声器上。之所以如此，是因为输出级的晶体管将电源通过一个很小的电阻直接连接到低通滤波器上。滤波器可以抑制高频噪声，但可以通过所有音频分量，包括噪声。

如果失真和电源问题都不能得到解决的话，就很难实现优于10dB的PSR或者优于0.1%的总谐波失真。更糟糕的是，THD属于会发出难听的声音的、高阶的分量。

幸运的是，这些问题有两种解决方案。如果音响设计者使用带很高环路增益的反馈的话（正如许多线性放大器设计），则会大大提高电路性能。来自于LC滤波器输入的反馈将大大改善PSR，并衰减所有的非LC滤波器失真。LC滤波器的非线性可以通过将扬声器也纳入反馈环路的方法来衰减。在设计合理的闭环D类放大器中，设计者可以获得高保真级的音响品质：PSR>60dB，THD

S_UNNY

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