D類放大器&A/B類、AB類……你分清楚了嗎？
發(fā)布日期:2024-09-10
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D類放大器首次提出于1958年，但得益于數字音響技術的發(fā)展，使得它的很多優(yōu)點都被展現出來，因而現在已經流行起來了。那么同其它類型的放大器相比，它有什么與眾不同的地方呢？請往下看~
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類放大器在許多應用中具有顯著的優(yōu)勢，因為低功耗產生熱量較少，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。此外，它的能量轉換效率高。體積相對來說也比較小，因此可靠性強。
A/B、AB類與D類放大器的較量
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性結型晶體管（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體（CMOS）晶體管實現，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
A類放大器拓撲結構使用一只晶體管作為直流（DC）電流源，能夠提供揚聲器需要的最大音頻電流。它的輸出級可以提供優(yōu)良的音質，但由于輸出級晶體管上往往流過很大的DC偏置電流且無法使用，因此會產生過大的功耗耗散。
B類放大器
B類放大器拓撲結構沒有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
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。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。
不幸的是，即使是精心設計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，所以會產生很大的瞬時功耗LDS×VDS。
D類放大器
D類放大器由于具有不同的拓撲結構（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通時具有零電流，并且在導通時具有很低的VDS，因而產生較小的功耗LDS×VDS。
圖2. D類開環(huán)放大器框圖
D類放大器的輸出級在正電源和負電源之間切換從而產生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因為當輸出晶體管在不導通時具有零電流，并且在導通時具有很低的VDS，因而產生較小的功耗LDS×VDS。
由于大多數音頻信號不是脈沖串，因此必須包括一個調制器將音頻輸入轉換為脈沖信號。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號和與調制過程相關的重要的高頻能量。經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動揚聲器。為了保持開關輸出級的功耗優(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. 差分開關輸出級和LC低通濾波器
圖4是A類放大器和B類放大器輸出級功耗（PDISS）的理想值與 AD1994 D類放大器輸出級功耗的測量值的比較。圖中的曲線是指給定的音頻正弦波信號的輸出級功率與揚聲器提供的負載功率（PLOAD）之間的關系。其中負載功率相對最大負載（PLOAD max）功率水平歸一化，箝位的正弦波信號保證10%總諧波失真（THD）。圖中的垂直線表示PLOAD開始箝位的位置。
圖4. A類、B類放大器和D類放大器輸出級的功耗比較
可以看出，對于多種負載其功耗明顯不同，尤其是在高端和中端值負載條件下。在箝位開始之初，D類放大器輸出級的功耗約是B類放大器的1/2.5，是A類放大器的1/27。應當注意，消耗在A類放大器輸出級的功率比傳遞到揚聲器的功耗大，這是使用大的DC偏置電流的結果。
功耗和功率效率的差異在中等功率水平處很大。這對于音頻很重要，因為大音量音樂的長期平均功率水平要比達到PLOAD max的瞬時峰值水平低很多（為其1/5到1/20，取決于音樂類型）。因而，對于音頻放大器，[PLOAD = 0.1×PLOAD max] 是一個合理的平均功率水平，按照這個功率水平評估PDISS。在這個功率水平，D類放大器輸出級的功耗是B類放大器的1/9，是A類放大器的1/107。
對于10 W PLOAD max的音頻放大器，1 W的平均PLOAD認為是保真音頻功率水平。在這種條件下，D類放大器輸出級內部功耗為282 mW，對于B類放大器為2.53 W，對于A類放大器為30.2 W。在這種情況下，D類放大器的效率從高功率條件下的90%減少到78%。但即使是78%也要遠優(yōu)于B類放大器和A類放大器，它們的效率分別為28%和3%。
對于1 W以上的功率水平，線性輸出級的過大的功耗要求采用有效的散熱方法以避免不可接受的發(fā)熱，通常是使用大金屬板作為散熱板，或用風扇促進放大器空氣散熱。如果放大器是集成電路（IC），就可能需要大尺寸、高成本的增強散熱封裝以促進熱傳導。這些考慮在消費類產品中很麻煩，例如平板電視，其印制電路板面積（PCB）面積很寶貴，或汽車音響，其發(fā)展趨勢是在固定空間內增加通道數。
對于1 W以下的功率水平，處理浪費的功率可能比處理散熱還困難。如果是電池供電，線性放大器輸出級消耗電池電荷要比D類放大器快。在上面的例子中，D類放大器輸出級耗費的電源電流是B類放大器的1/2.8，是A類放大器的1/23.6，因此它們用于蜂窩電話，PDA和MP3播放器等產品在電池的壽命方面有很大差別。
迄今為止，為了簡單起見，只是專門注重放大器輸出級的分析。但是當考慮放大器系統(tǒng)中所有功耗時，線性放大器要比低輸出功率D類放大器更有利，原因是在低功率水平條件下，產生和調制開關波形所需要的功率會很大。
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