1、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)計一個“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 在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時連續(xù)輸出電流的晶體管。實現(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

2、，因為低功耗產(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金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管實現(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類放大器拓撲結(jié)構(gòu)使用一只晶體管作為直

3、流(DC)電流源，能夠提供揚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)，而沒有提供給揚聲器(這是我們期望的)。 B類放大器拓撲結(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立控制，從而允許高端晶體管為揚聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負電流。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，因為當輸出電流過零點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，但它遠小于單純

4、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離正電源或負電源。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撲結(jié)構(gòu)(見圖2)，其功耗遠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，因為當輸出晶體管在不導(dǎo)通時具有零電流，

5、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 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)動揚聲器。為了保持開關(guān)輸出級的功耗優(yōu)點，要求該濾波器(見圖3)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，只有揚聲器是耗能元件。圖3  差分開關(guān)輸出級和LC低通濾波器 D類放大器

6、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(見深入閱讀資料1)。全H橋電路通常由單電源(VDD)供電，接地端用于接負電源端(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

7、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類放大器設(shè)計因素 雖然利用D類放大器的低功耗優(yōu)點有力推動其音頻應(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； *音質(zhì)； *調(diào)制方法； *抗電磁干擾(

8、 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)很小(典型值為0.1W0.2W)。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)損耗降至最小之間的一個折衷。在高輸出功率情況下，功耗和效率主要由傳導(dǎo)損耗決定，而在低輸出

9、功率情況下，功耗主要由開關(guān)損耗決定。功率晶體管制造商試圖將其器件的RON×CG減至最小以減少開關(guān)應(yīng)用中的總功耗，從而提供開關(guān)頻率選擇上的靈活性。 輸出級保護 輸出級必須加以保護以免受許多潛在危險條件的危害： 過熱: 盡管D類放大器輸出級功耗低于線性放大器，但如果放大器長時間提供非常高的功率，仍會達到危害輸出晶體管的水平。為了防止過熱危險，需要溫度監(jiān)視控制電路。在簡單的保護方案中，當通過一個片內(nèi)傳感器測量的溫度超過熱關(guān)斷安全閾值時，輸出級關(guān)斷，并且一直保持到冷卻下來。除了簡單的有關(guān)溫度是否已經(jīng)超過關(guān)斷閾值的二進制指示以外，傳感器還可提供其它的溫度信息。通過測量溫度，控制電路可

10、逐漸減小音量水平，減少功耗并且很好地將溫度保持在限定值范圍內(nèi)，而不是在熱關(guān)斷期間強制不發(fā)出聲音。輸出晶體管過流: 如果輸出級和揚聲器端正確連接，輸出晶體管呈低導(dǎo)通電阻狀態(tài)不會出現(xiàn)問題，但如果這些結(jié)點不注意與另一個結(jié)點或正、負電源短路，會產(chǎn)生巨大的電流。如果不經(jīng)核查，這個電流會破壞晶體管或外圍電路。因此，需要電流檢測輸出晶體管保護電路。在簡單保護方案中，如果輸出電流超過安全閾值，輸出級關(guān)斷。在比較復(fù)雜的方案中，電流傳感器輸出反饋到放大器中，試圖限制輸出電流到一個最大安全水平，同時允許放大器連續(xù)工作而無須關(guān)斷。在這個方案中，如果限流保護無效，最后的手段是強制關(guān)斷。有效的限流器還可在由于揚聲器共振出現(xiàn)暫時的大瞬態(tài)電流時保持放大器安全工作。 欠壓: 大多數(shù)開關(guān)輸出級電路只有當正電源電壓足夠高時才能正常工作。如果電源電壓太低，出現(xiàn)欠壓情況，就會出現(xiàn)問題。這個問題通常通過欠壓封鎖電路來處理，只有當電源電壓大于欠壓封鎖閾值時才允許輸出級工作。圖4  輸出級晶體管的先合后開開關(guān) 輸出晶體管導(dǎo)通時序 : MH和ML輸出級晶體管(見圖4)具有非常低的導(dǎo)