资深工程师破解D类放大器的奥秘

度。

　　产生失真的机制包括调制技术或者调制器实现方案中的非线性，以及为了防止直通（shoot-through）电流问题而在输出级引入的"死区"（dead time）。

　　关于音频信号强度的信息通常是通过D类调制器输出脉冲的宽度来编码的。为了防止输出级的直通电流而引入死区，就会带来非线性的定时误差，这又会在扬声器上产生与相对于理想脉冲宽度的定时误差成正比的失真量。为了最大限度减小失真，避免直通而引入的死区时间应该尽可能缩短。

　　其它的失真源包括输出脉冲的上升和下降时间的不匹配、输出晶体管栅极驱动电路的定时特性的不匹配以及LC低通滤波器的元件的非线性。

　　在电源波动抑制能力方面，电源噪声几乎可以在受到很小的抑制的情况下，直接耦合到扬声器上。之所以如此，是因为输出级的晶体管将电源通过一个很小的电阻直接连接到低通滤波器上。滤波器可以抑制高频噪声，但可以通过所有音频分量，包括噪声。

　　如果失真和电源问题都不能得到解决的话，就很难实现优于10dB的PSR或者优于0.1%的总谐波失真。更糟糕的是，THD属于会发出难听的声音的、高阶的分量。

　　幸运的是，这些问题有两种解决方案。如果音响设计者使用带很高环路增益的反馈的话（正如许多线性放大器设计），则会大大提高电路性能。来自于LC滤波器输入的反馈将大大改善PSR，并衰减所有的非LC滤波器失真。LC滤波器的非线性可以通过将扬声器也纳入反馈环路的方法来衰减。在设计合理的闭环D类放大器中，设计者可以获得高保真级的音响品质：PSR》60dB，THD《0.01%。

　　系统成本

　　影响采用D类放大器的音响系统的总成本的重要因素到底是哪些？设计者如何才能最大限度降低成本？

　　D类放大器的有源元件是开关输出级和调制器。该电路的成本可以大致与模拟线性放大器的成本相当，而系统的其他元件上是需要真正付出代价的地方。

　　D类放大器的较低的功率耗散可以为其省下冷却装置（散热器或者风扇）的成本（和空间）。D类集成电路放大器可以使用一个比线性放大器更小的、更便宜的封装。在利用数字音频信号源进行播放时，模拟的线性放大器需要通过数字－模拟变换器来将音频信号变换为模拟形式。模拟输入的D类放大器也需要数模变换器，但数字输入型电路可以有效的集成一个D/A转换器功能。

　　另一方面，D类放大器在成本上的主要缺点就在于它要使用LC滤波器。该元件——特别是电感——将占用电路板空间并增加成本。在大功率的放大器中，总的系统成本仍然具有竞争力，因为在冷却装置方面实现的极大的成本节约可以抵消LC滤波器的成本的增加。但是，在对成本敏感的、低功耗的应用中，电感的成本是巨大的。在极端情况下，如手机用的低价位放大器，放大器IC的成本可能低于总的LC滤波器的成本。此外，即使不考虑成本，LC滤波器所占用的电路板空间对于小外形尺寸的应用来说也是一个问题。

　　为了解决这些问题，有时人们干脆取消LC滤波器，即采用一个无滤波的放大器。这可以节约成本和空间，虽然不能享受到低通滤波的好处。如果没有滤波器的话，EMI和高频功率耗散可能会增加到令人无法接受的地步，除非扬声器是电感性的，其位置紧邻放大器，而且电路环面积很小，功率水平很低。虽然在手机等便携式应用中常常可以作到这一点，但该技术并不适用于功率更大的系统，如家用立体声音响。

　　另一个方法是尽可能减少每个通道的LC滤波元件。这可以通过采用单端的半桥式输出级电路来实现，这种电路结构所需要的电感和电容的数量是差动式的、全桥式的电路的一半。但是，如果半桥需要采用双极型电源的话，则产生负电源所需的成本也高得让人无法接受，除非由于另外的考虑而采用了某种负电源的话—— 或者，放大器有足够的音频通道，以便分摊采用负电源所带来的成本上升。另一方面，半桥电源也可以依靠单电源来供电，但输出功率必须降低，而且它也往往需要采用一个很大的DC隔直电容。

　　D类放大器的输出级在正、负电源之间进行开关切换，产生一系列电压脉冲，而不是像传统音频应用中的A、B、AB类放大器那样产生线性输出。其输出通过一个无源的LC低通滤波器来驱动一个扬声器。输出晶体管在关断时电流为零，而导通时的电压降很小，这使得D类放大器的功率耗散远远低于其他方案。因此，D类放大器的功耗更低，占用的电路板空间更小，而且让便携式系统中的电池的工作寿命得以延长，因此是音响应用的理想选择。

音响设计师在研制高性能的D类音响放大器时需要仔细考虑多种细节，包括输出晶体管尺寸的选