如何设计D类放大器

什么是D类放大器

D类放大器，是通过控制开关单元的ON/OFF，驱动扬声器的放大器。D类放大器首次提出于1958年，近些年已逐渐流行起来。D类放大器在过去的几代产品中，已经得到了巨大的发展，系统设计者极大地改善了系统的耐用性，并提高了其音频质量。


图一：D类放大器

D类放大器的组成

D类放大器的核心技术是所谓的PWM(脉宽调制),所以,D类放大器的结构也是以PWM为中心的。事实上,D类放大器中包含了许多先进的技术,而且也不断有新的技术加入,因此D类放大器很难有一个固定的结构,我们在这里只给出一种最常见的结构,这就是图2所示的框图。它由输入级、PWM、输出级、反馈网络和LC滤波器构成。我们对这些部件作一简单说明,然后分别作具体的描述。

线性放大器、D类放大器和功耗

线性放大器的输出级被直接连接到扬声器(在某些情况下通过电容)。如果在输出级中采用了双极结三极管(BJT)，它们通常工作在线性模式，集-射极之间的电压较大。输出级也可能采用MOS三极管来实现，如图二所示。


图二：CMOS线性输出级

如何设计出理想D类放大器

所有D类系统的共同特点及其超群的功率效率的奥秘就在于输出级(通常是MOSFET)的电源器件总是要么全通要么全关。这与线性放大器形成对比，线性放大器输出晶体管的导通状态随时间变化。晶体管消耗的功率是其压降与流过电流之积(P=IV)，通常占到线性放大器消耗的总功率的50%或更多。在D类系统中不是这样。由于所有输出晶体管要么压降为零(处于“通”状态)要么流过的电流为零(处于“关”状态)，理论上根本不会损失能量。回到现实世界中，安装在数以百万计的微处理器之上的冷却风扇表明即使是纯数字系统也会以发热的形式浪费能量，D类放大器达到的功率效率在85至90%之间。

但是，从CD和DVD光盘到数字广播和MP3，大多数当今的媒体格式都是数字的，在进行D类放大之前将其转换为模拟信号不可避免地会增加噪声并提高系统复杂性。在数字域将信号变换为PWM避免了这个问题，并且还消除了比较器和锯齿波发生器，这是两个天生会产生噪声和干扰的模拟元件。


图三：差分开关输出级和LC低通滤波器