D類音頻放大器設(shè)計(jì)：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(yīng)用很有意義?設(shè)計(jì)一個(gè)“優(yōu)質(zhì)”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(chǎn)品的特點(diǎn)是什么? 本文中試圖回答上述所有問題。

D類放大器的優(yōu)點(diǎn)

在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的晶體管。實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)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(shè)計(jì)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(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢，因?yàn)榈凸漠a(chǎn)生熱量較少，節(jié)省印制電路板(PCB)面積和成本，并且能夠延長便攜式系統(tǒng)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(yáng)聲器(有些情況下通過電容器連接)。如果輸出級使用雙極結(jié)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管實(shí)現(xiàn)，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?yàn)楫a(chǎn)生輸出電壓VOUT的過程中不可避免地會(huì)在至少一個(gè)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?yàn)橥ǔＳ泻艽蟮腄C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?yàn)楫?dāng)輸出電流過零點(diǎn)和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時(shí)會(huì)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。

遺憾的是，即使是精心設(shè)計(jì)AB類放大器也有很大的功耗，因?yàn)槠渲械确秶妮敵鲭妷和ǔ＿h(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(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)功耗IDS