D類放大器：基本工作原理和近期發(fā)展
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引言
大多數(shù)音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師都非常清楚，D類放大器與線性音頻放大器(如A類、B類和AB類)相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。對(duì)于線性放大器(如AB類)來說，偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會(huì)損耗大量功率。因?yàn)镈類放大器的晶體管只是作為開關(guān)使用的，用來控制流過負(fù)載的電流方向，所以輸出級(jí)的功耗極低。D類放大器的功耗主要來自輸出晶體管導(dǎo)通阻抗、開關(guān)損耗和靜態(tài)電流開銷。放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類放大器對(duì)散熱器的要求大為降低，甚至可省掉散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應(yīng)用。過去，基于PWM方式的典型D類放大器需要外部濾波元件，會(huì)產(chǎn)生EMI/EMC兼容性問題，并且THD+N性能較差，因此與線性放大器相比，它的高效優(yōu)勢大為失色。然而，最新一代的D類放大器采用先進(jìn)的調(diào)制和反饋技術(shù)，可很好地緩解上述問題。
D類放大器基礎(chǔ)
現(xiàn)代D類放大器使用多種調(diào)制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而最基本的拓?fù)浣M合了脈寬調(diào)制(PWM)以及三角波(或鋸齒波)振蕩器。圖1給出一個(gè)基于PWM的半橋式D類放大器簡化框圖。它包括一個(gè)脈寬調(diào)制器，兩個(gè)輸出MOSFET，和一個(gè)用于恢復(fù)被放大的音頻信號(hào)的外部低通濾波器(LF和CF)。如圖所示，p溝道和n溝道MOSFET用作電流導(dǎo)向開關(guān)，將其輸出節(jié)點(diǎn)交替連接至VDD和地。由于輸出晶體管使輸出端在VDD或地之間切換，所以D類放大器的最終輸出是一個(gè)高頻方波。大多數(shù)D類放大器的開關(guān)頻率(fSW)通常在250kHz至1.5MHz之間。音頻輸入信號(hào)對(duì)輸出方波進(jìn)行脈寬調(diào)制。音頻輸入信號(hào)與內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的三角波(或鋸齒波)進(jìn)行比較，可得到PWM信號(hào)。這種調(diào)制方式通常被稱作"自然采樣"，其中三角波振蕩器作為采樣時(shí)鐘。方波的占空比與輸入信號(hào)電平成正比。沒有輸入信號(hào)時(shí)，輸出波形的占空比為50%。圖2顯示了不同輸入信號(hào)電平下所產(chǎn)生的PWM輸出波形。
圖1. 該簡化功能框圖展示了一個(gè)基本的半橋式D類放大器的結(jié)構(gòu)。
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