D類放大器背后的奧秘

音頻放大器的用途是在發(fā)聲輸出元件上復現(xiàn)輸入音頻信號，提供所需要的音量和功率水平—保證復現(xiàn)的忠實性、高效率以及低失真度。在這一任務面前，D類放大器表現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢。

音頻是指約20Hz到20kHz的頻率范圍，因此一個音頻放大器在這個頻段上必須具備出色的頻率響應特性(在驅動頻帶有限的低音和高音揚聲器時，頻響特性較好的頻率范圍可更窄些)。功率能力方面的需求則變化很大，具體指標取決于應用要求，從頭戴式耳機的毫瓦級到TV或PC影響上的數(shù)瓦，再到“微型”家庭立體聲音響、汽車音響，而最高者是功率更強的家用和用于劇場和禮堂的商用音響系統(tǒng)，其功率達到數(shù)百瓦甚至更高。

音頻放大器最直截了當?shù)摹⒛M式的實現(xiàn)方式是讓晶體管工作在線性模式下，讓輸出電壓以一定比例隨輸入信號電壓變化。前向的電壓增益往往很高(至少40dB)。如果前向增益是反饋回路的一部分，則總的回路增益也將很高。電路中常常要采用反饋，因為很高的環(huán)路增益可以提供更高的性能——抑制前向通路的非線性所造成的失真，并通過提高電源抑制能力(PSR)來減小電源噪聲。

在傳統(tǒng)的晶體管放大器中，輸出級包括了提供輸出電流的晶體管。音響系統(tǒng)可以采用的多種實現(xiàn)形式包括A類、AB類和B類。與D類放大器相比，這些電路中，即使是效率最高的線性輸出級，其功率的耗散很大。這一差異反襯出，D類放大器在許多應用方面具有顯著的優(yōu)勢，因為較小的功率耗散意味著更低的發(fā)熱量、電路板空間及成本的節(jié)省和便攜式系統(tǒng)的電池工作時間的延長。

所有線性輸出級都會出現(xiàn)功率的耗散，因為Vout的產生不可避免地造成至少一個輸出晶體管上出現(xiàn)非零的IDS和VDS。功率耗散的量的大小在很大程度上取決于輸出晶體管的偏置方法。

A類架構將架構中的一個晶體管用作一個能提供揚聲器所需的最大音頻電流的DC電流源。A類輸出級可以提供良好的音響品質，但由于輸出級晶體管上往往流過很大的DC偏置電流(這是我們所不希望出現(xiàn)的)，而這一電流無法提供給揚聲器(這反而是我們所希望的)，因此會產生過大的功率耗散。

B類揚聲器取消了DC偏置電流，所耗散的功率大大下降。其輸出晶體管按照推挽方式進行分別控制，這樣，其中的一個器件向揚聲器提供正向電流而另一個則吸納負向電流。這減少了輸出級的功率耗散，晶體管中只流過信號電流。然而，B類電路的音響質量較差，因為當輸出電流過零點、晶體管在導通和關斷狀態(tài)間切換時，其工作在非線性狀態(tài)(交越失真)。

AB類輸出電路是A類和B類電路之間的一種折中，它具有一定的DC偏置電流，但該電流遠小于純A類設計所用的電流。小的DC偏置電流足以防止交越失真，從而保證良好的音響質量。功率耗散雖然在A類和B類之間，但一般更接近B類。AB類電路必須采取某種類似于B類電路的控制機制，以便能夠提供或者吸納很大的輸出電流。

一種不同的拓撲結構—D類放大器的出現(xiàn)，是值得慶幸的事，它所消耗的功率遠低于其他任何一種電路。其輸出級在正、負電源之間來回切換，以便產生一個電壓脈沖鏈。這一波形對于降低功率耗散來說是有利的，因為輸出晶體管在不發(fā)生開關動作時電流為零，而在導通電流時其兩端電壓很低，因此IDS