D類放大器,D類放大器是什么意思
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圖1、cmos線性輸出級
注：output stage＝輸出級
speaker＝揚(yáng)聲器
ground＝地
功率消耗在所有線性輸出級，因為產(chǎn)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(nèi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用一只晶體管作為直流（dc）電流源，能夠提供揚(yáng)聲器需要的最大音頻電流。a類放大器輸出級可以提供優(yōu)良的音質(zhì)，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(yáng)聲器（這是我們期望的）。
b 類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(dú)立控制，從而允許高端晶體管為揚(yáng)聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負(fù)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(zhì)較差，因為當(dāng)輸出電流過零點(diǎn)和晶體管在通斷狀態(tài)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(yuǎn)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(zhì)。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。
不幸的是，即使是精心設(shè)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(yuǎn)離正電源或負(fù)電源。由于漏源極之間的電壓降很大，所以會產(chǎn)生很大的瞬時功耗ids×vds。d 類放大器由于具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其功耗遠(yuǎn)小于上面任何一類放大器。d類放大器的輸出級在正電源和負(fù)電源之間切換從而產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因為當(dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時具有零電流，并且在導(dǎo)通時具有很低的vds，因而產(chǎn)生較小的功耗ids×vds 。
圖2、d類開環(huán)放大器框圖
注：modulator＝調(diào)制器
switching output stage＝開關(guān)輸出級
lossless low-pass filter （lc）＝無損低通濾波器（lc）
speaker ＝揚(yáng)聲器
由于大多數(shù)音頻信號不是脈沖串，因此必須包括一個調(diào)制器將音頻輸入轉(zhuǎn)換為脈沖信號。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號和與調(diào)制過程相關(guān)的重要的高頻能量。經(jīng)常在輸出級和揚(yáng)聲器之間插入一個低通濾波器以將電磁干擾（emi）減至最小，并且避免以太多的高頻能量驅(qū)動揚(yáng)聲器。為了保持開關(guān)輸出級的功耗優(yōu)點(diǎn)，要求該濾波器是無損的（或接近于無損）。低通濾波器通常采用電容器和電感器，只有揚(yáng)聲器是耗能元件。
圖3. 差分開關(guān)輸出級和lc低通濾波器
圖4是a類放大器和b類放大器輸出級功耗（pdiss）的理想值與ad1994 d類放大器輸出級功耗的測量值的比較。圖中的曲線是指給定的音頻正弦波信號的輸出級功率與揚(yáng)聲器提供的負(fù)載功率（pload）之間的關(guān)系。其中負(fù)載功率相對最大負(fù)載（pload max ）功率水平標(biāo)準(zhǔn)化，箝位的正弦波信號保證10%總諧波失真（thd）。圖中的垂直線表示pload開始箝位的位置。
圖4、a類、b類放大器和d類放大器輸出級的功耗比較
注：normalized power dissipation＝標(biāo)準(zhǔn)化功耗
normalized load power＝標(biāo)準(zhǔn)化負(fù)載功率
class a ideal＝a類放大器理想值
class b ideal＝b類放大器理想值
class d ad199x measured＝ad199x d類放大器測量值
no clipping＝?jīng)]有箝位
amplifier clips＝放大器箝位
max power the amp can deliver＝放大器可提供的最大功率
output is clipped at this power level＝在這個功率水平條件下的箝位輸出
可以看出，對于多種負(fù)載其功耗明顯不同，尤其是在高端和中端值負(fù)載條件下。在箝位開始之初，d類放大器輸出級的功耗約是b類放大器的1/2.5，是a類放大器的1/27。應(yīng)當(dāng)注意，消耗在a類放大器輸出級的功率比傳遞到揚(yáng)聲器的功耗大，這是使用大的dc偏置電流的結(jié)果。
輸出級功率效率eff定義如下：
在箝位開始之初，a類放大器的eff＝25%，b類放大器的eff＝78.5%，d類放大器的eff＝90%。
對于a類放大器和b類放大器，這些最佳例證經(jīng)常在教科書中引用。
圖5、a類、b類和d類放大器輸出級的功率效率比較
注：power efficiency＝功率效率
normalized load power＝標(biāo)準(zhǔn)化負(fù)載功率
class d ad199x measured＝ad199x d類放大器測量值
class b ideal＝b類放大器理想值
class a ideal＝a類放大器理想值
功耗和功率效率的差異在中等功率水平處很大。這對于音頻很重要，因為大音量音樂的長期平均功率水平要比達(dá)到pload max的瞬時峰值水平低很多（為其1/5到1/20，取決于音樂類型）。因而，對于音頻放大器，[pload = 0.1×pload max] 是一個合理的平均功率水平，按照這個功率水平評估pdiss。在這個功率水平，d類放大器輸出級的功耗是b類放大器的1/9，是a類放大器的1/107。
對于10 w pload max的音頻放大器，1 w的平均pload認(rèn)為是保真音頻功率水平。在這種條件下，d類放大器輸出級內(nèi)部功耗為282 mw，對于b類放大器為2.53 w，對于a類放大器為30.2 w。在這種情況下，d類放大器的效率從高功率條件下的90%減少到78%。但即使是78%也要遠(yuǎn)優(yōu)于b類放大器和a類放大器，它們的效率分別為28%和3%。
這些差別對于系統(tǒng)設(shè)計具有重要的影響。對于1 w以上的功率水平，線性輸出級的過大的功耗要求采用有效的散熱方法以避免不可接受的發(fā)熱，通常是使用大金屬板作為散熱板，或用風(fēng)扇促進(jìn)放大器空氣散熱。如果放大器是集成電路（ic），就可能需要大尺寸、高成本的增強(qiáng)散熱封裝以促進(jìn)熱傳導(dǎo)。這些考慮在消費(fèi)類產(chǎn)品中很麻煩，例如平板電視，其印制電路板面積（pcb）面積很寶貴，或汽車音響，其發(fā)展趨勢是在固定空間內(nèi)增加通道數(shù)。
對于1 w以下的功率水平，處理浪費(fèi)的功率可能比處理散熱還困難。如果是電池供電，線性放大器輸出級消耗電池電荷要比d類放大器快。在上面的例子中，d類放大器輸出級耗費(fèi)的電源電流是b類放大器的1/2.8，是a類放大器的1/23.6，因此它們用于蜂窩電話，pda和mp3播放器等產(chǎn)品在電池的壽命方面有很大差別。
迄今為止，我們?yōu)榱撕唵纹鹨?，只是專門注重放大器輸出級的分析。但是當(dāng)考慮放大器系統(tǒng)中所有功耗時，線性放大器要比低輸出功率d類放大器更有利。原因是在低功率水平條件下，產(chǎn)生和調(diào)制開關(guān)波形所需要的功率會很大。因而，精心設(shè)計的低中功率的ab類放大器的寬系統(tǒng)靜態(tài)功耗優(yōu)勢使得它們可與d類放大器相競爭。雖然對于寬的輸出功率范圍，毫無疑問d類放大器具有低功耗優(yōu)勢。
d類放大器術(shù)語以及差分方式與單端方式的比較
圖3示出d類放大器中輸出晶體管和lc濾波器的差分實現(xiàn)。這個h橋具有兩個半橋開關(guān)電路，它們?yōu)闉V波器提供相反極性的脈沖，其中濾波器包含兩個電感器、兩個電容器和揚(yáng)聲器。每個半橋包含兩個輸出晶體管，一個是連接到正電源的高端晶體管mh，另一個是連接到負(fù)電源的低端晶體管ml。圖3中示出的是高端pmos晶體管。經(jīng)常采用高端nmos晶體管以減小尺寸和電容，但需要特殊的柵極驅(qū)動方法控制它們。
全h橋電路通常由單電源（vdd）供電，接地端用于接負(fù)電源端（vss）。對于給定的vdd和vss，h橋電路的差分方式提供的輸出信號是單端方式的兩倍，并且輸出功率是其四倍。半橋電路可由雙極性電源或單極性電源供電，但單電源供電會對dc偏置電壓產(chǎn)生潛在的危害，因為只有vdd/2電壓施加到過揚(yáng)聲器，除非加一個隔直電容器。
“激勵”的半橋電路電源電壓總線可以超過lc濾波器的大電感器電流產(chǎn)生的標(biāo)稱值。在vdd和vss之間加大的去耦電容器可以限制激勵dv/dt的瞬態(tài)變化。全橋電路不受總線激勵的影響，因為電感器電流從一個半橋流入，從另一個半橋流出，從而使本地電流環(huán)路對電源干擾極小。
音頻D類放大器
雖然利用d類放大器的低功耗優(yōu)點(diǎn)有力推動其音頻應(yīng)用，但是有一些重要問題需要設(shè)計工程師考慮，包括：
輸出晶體管尺寸選擇、輸出級保護(hù)、音質(zhì)、調(diào)制方法、抗電磁干擾（emi）、lc濾波器設(shè)計、系統(tǒng)成本
輸出晶體管尺寸選擇
選擇輸出晶體管尺寸是為了在寬范圍信號調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗。當(dāng)傳導(dǎo)大的ids時保證vds很小，要求輸出晶體管的導(dǎo)通電阻（ron）很?。ǖ湫椭禐?.1Ω～0.2Ω）。但這要求大晶體管具有很大的柵極電容（cg）。開關(guān)電容柵極驅(qū)動電路的功耗為cv2f，其中c 是電容，v是充電期間的電壓變化，f是開關(guān)頻率。如果電容或頻率太高，這個“開關(guān)損耗”就會過大，所以存在實際的上限。因此，晶體管尺寸的選擇是傳導(dǎo)期間將ids×vds損失降至最小與將開關(guān)損耗
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