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摘 要:D类放大器在智能电话、平板显示器以及新型个人电脑等市场产生很大影响。一些较大的市场目前也在评估D 类放大器相对于线性放大器的优势，包括
PDA 以及汽车音响等产品。本文通过比较效率、散热、电池寿命以及输出功率等，介绍了 D 类放大器与常见的线性或AB类放大器的相对优势。本文还讨论了能够减少滤波需求的新一代
D 类放大器，这使得设计人员能够以更低的成本开发性能更好、效率更高的音频解决方案。
介绍
在过去的两三年中，设计人员为各种电子终端设备增强了多种新功能，其中之一就是加强了音频功能。这一潮流影响了许多消费类产品，如平板显示器、PDA
以及移动电话等。对音频性能要求的不断提高，需要音频放大器具有更多功能，其基本要求就是在更低的负载阻抗和更高输出功率下实现更好的音质。一般而言，AB类放大器能够应付这些终端设备早期的性能与成本要求，但线性放大器的特点已不能适应如今消费者的需求。因而在具有增强音频功能的消费类产品领域，D
类放大器正在向 AB类放大器(线性放大器)发起挑战。如今的LCD电视机、等离子电视机及新型PC等许多终端设备均要求提供更高的输出功率，而不增加成本，同时还要保持甚至减小产品体积。这种趋势加大了对更多D
类器件的需求，并进入了许多原来由传统线性放大器控制的市场。
D类放大器
消费类产品厂家采用D类放大器的主要原因在于其极高的效率，它产生的热量仅为线性放大器的一半。图1表明，随着功率增加，D类放大器可以迅速达到
85% 的效率，而线性放大器的效率随功率增长的速度则相当缓慢。大多数人收听的电视音响在 2~4W 之间。在这一水平上将D类放大器与线性放大器进行比较，会发现D
类放大器的效率可以增长4倍。放大器效率改善与其产生的热量成反比。因此，在输出功率相同时，线性放大器需要更大的散热片，从而会增加相对于D类放大器的外形尺寸。
为进一步说明D类放大器在散热及输出功率方面的实际优势，德州仪器(TI) 将某种无线电或头戴设备的线性功率放大器改为D类放大器。该实验将热敏电阻放在散热片上，根据不同的输出功率测量环境温度。图2显示了线性放大器和D类放大器之间的性能差异，表明D类技术能够高效地提高输出功率，同时减小产品的体积和成本。
图1：效率与输出功率
图2：温度与输出功率
D类放大器之所以能实现这样的效率，是因为D类放大器与开关模式电源的工作方式相似，其中输出MOSFET要么是完全启动(饱和)，要么是完全关闭(切断)的。因而可以减小晶体管的功率损耗，增加放大器的效率。但不幸的是，在开关时间和非开关时间中总会有一定的功率损失(开关损耗和传导损耗)。
出现在开关时间内的损耗是由于FET的上升时间和下降时间大于零。出现这种情况有几个原因。第一，输出晶体管的开关并非即时完成。从漏极到源极的通道需要一定的形成时间。第二，晶体管栅源电容和寄生电阻形成RC时间常量，也增加了上升和下降时间。
在非开关时间中的功耗是由于每个FET的RDS(ON)和晶体管中的电流导致的。
但总体而言，D类放大器的功率损失是最小的，正是由于该类器件的开关特性，使放大器实现了高得多的效率。其开关技术为脉宽调制(PWM)方式，可比较输入模拟信号和高频率三角波形(通常为250
kHz)，以生成输出波形。该波形驱动MOSFET H桥。随后形成的差动波形是PWM方波信号，其占空比与音频信号的振福成正比。来自H桥的信号通过输出滤波器驱动喇叭，或直接连接至喇叭。图3显示了D类输出级为桥接式负载(BTL)配置而进行的典型配置。
调制方案在确定所需滤波器类型方面起着重要作用。例如，第一代TI的D类放大器需要LC滤波器。图4显示了采用的第一种调制方案类型。在该方案中，当无输入信号时，差动PWM输出信号的占空比为50%。这50%
的占空比不生成可以听到的声音，因为平均波形为零。但它会从喇叭吸收并使用大量电流，产生不希望出现的功率损耗。现在，随着输入电压的增加，正极OUT+的占空也随之增加，而负极OUT-的占空比则会减小。
就该类型的调制方案而言，应当采用二阶Butterworth低通滤波器。如图5所示，该滤波器用两个电感和三个电容作为典型的桥接式负载输出。该滤波器主要作为电感，在电压变换时使输出电流保持一致，这降低了少输入信号或无输入信号时的功耗。
图3：D类放大器的典型配置
该滤波器的主要缺陷是尺寸增加及额外的外部元件成本。此类调制方案无需滤波器即可使用而不影响保真度。由于扬声器既具电阻性又具电感性，而且D类放大器开关波形通过扬声器产生高电压，所以效率方面的提高将受到损失。从而导致较高的电源电流，也抵消了D类放大器带来的效率优势。
输出的较高电感会产生较低的静电电流(无输入的电源电流)，因为它限制了纹波电流的输出量。电感L1与L2以及 电容C1构成差动滤波器使信号以40dB/dec的斜率衰减。开关电流主要通过
C1、C2及C3，扬声器消耗的电流很小。
该滤波器还在很大程度上减少了电磁干扰 (EMI)。EMI 是由电流瞬时变动产生的磁场或差动电压产生的电场形成的。图5中的滤波器包括共模及差动滤波器，所以其不仅可减少了磁场还可减少电场。
在TI新一代D 类放大器 TPA2000D 以及 TPA3000D 产品系列中，调制方案经过修改，只产生非常短的差动功率脉冲，以避免无输入信号时发生"击穿"。对于TPA2005D1，这就使电源电流的增加不足3mA
，其负载在该转换频率上为电感性或电阻性。图6显示了TI的无滤波器 D类调制方案的输出波形。
图4：传统D类调制的输出电压和电流波形
图5：典型的二阶Butterworth滤波器设计
图6：新一代D类调制的输出电压和电流波形
图7：新一代D类调制的输出电压和电流波形
新的调制方案不再需要二阶Butterworth低通滤波器，从而可以大大减少系统成本以及设计方案的尺寸。EMI可能还是一个问题，但实际的实验室测试显示，与放大器输出串联的铁氧体磁环及接地电容器实际上起到了共模滤波器的作用，因此也减小了电场，换言之也减小了振幅或MHz范围内的开关谐波(见图7)。典型的电容及铁氧体磁环值分别为1nF和100
W@100MHz。这对必须通过FCC和CE 标准的电路很有利，因为FCC和CE测试大于30MHz的辐射量。
通过使用上述调制方法，由于正负输出信号是同相的，因此负载的差动电压在大多数开关周期都均为0伏。这极大降低了开关电流，消除了负载中的功耗。
结论
高级D类放大器的可选择范围正在不断扩大，使得各种消费类终端设备(如平板显示器、PDA、智能电话、移动电话、汽车无线电等)的设计者可以提高产品的功率性能，同时保持甚至减小产品体积和成本。D类放大器时代的到来使设计人员能够在产品中实现高性能音频，给消费者带来更好的体验。
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