| AB類放大器 | D類放大器 | |
| 峰值輸出功率 | 6.4 W | 6.4 W |
| RMS輸出功率 | 160 mW | 160 mW |
| 峰值因素（峰值/RMS） | 16 dB | 16 dB |
| 效率 | 16 % | 45 % |
| 耗散功率 | 840 mW | 210 mW |
表1. AB類放大器和D類放大器在實(shí)際的音樂(lè)條件下效率的比較
---由表中可見(jiàn),在峰值比為16 dB的實(shí)際音樂(lè)條件下測(cè)試,D類放大器的效率也要比AB類放大器的效率高出3倍之多。其耗散功率更是相差4倍之多。
---所以,在很多更大輸出功率情況下,AB類放大器必須采用散熱器,而D類放大器就不必采用,這樣就可以大大縮小所需安裝空間。
---效率的不同也表現(xiàn)在表面溫度上,圖9表明兩種放大器在不同的輸出功率時(shí)的表面溫度。
圖9。D類放大器和AB類放大器在不同的輸出功率時(shí)的表面溫度
由圖中可以看出,當(dāng)輸出功率達(dá)到40W時(shí),D類放大器的表面溫度只有80度,而AB類放大器的表面溫度可以高達(dá)150度。在這種情況下,AB類放大器就必須采用散熱器,而D類放大器則用不著。這也就大大減小了D類放大器的體積,而使其特別適用于便攜式的電子設(shè)備中,例如,便攜式DVD播放機(jī)。
因?yàn)镈類放大器的效率直接和末級(jí)飽和電阻和揚(yáng)聲器電阻之比成反比。因此采用高阻值的揚(yáng)聲器也是提高效率的一種方法。當(dāng)然,揚(yáng)聲器阻值也不是可以任意提高的,它和揚(yáng)聲器的指標(biāo)有關(guān)。值得注意的是不同的芯片采用不同的揚(yáng)聲器電阻值作為測(cè)試效率的依據(jù)。所以,在比較不同芯片的效率時(shí),應(yīng)當(dāng)在相同的揚(yáng)聲器電阻的條件下進(jìn)行比較。同時(shí),對(duì)于某一具體芯片來(lái)說(shuō),其輸出功率也和揚(yáng)聲器的阻抗有關(guān)。對(duì)于阻抗越低的揚(yáng)聲器,它可以輸出的功率也越大。這是因?yàn)檩敵鼍w管工作于開(kāi)關(guān)時(shí),它的作用只是把電源的電流引導(dǎo)到負(fù)載,負(fù)載阻抗越小,電流就越大,所以功率也就越大。例如有一款芯片它在8歐姆時(shí)輸出1.2瓦,而在4歐姆時(shí)就能輸出2瓦。
四． D類放大器的失真
---放大器的失真主要有三種：線性失真、非線性失真和噪聲。線性失真不會(huì)產(chǎn)生高次諧波,而只是改變信號(hào)中各個(gè)分量的相對(duì)大小和時(shí)間關(guān)系。它對(duì)于人耳的感覺(jué)影響不是很大。非線性失真則會(huì)產(chǎn)生信號(hào)中沒(méi)有包含的頻率分量,因而對(duì)人耳感覺(jué)的影響就比較大。噪聲更是會(huì)對(duì)人耳產(chǎn)生不舒服的感覺(jué)。不過(guò)噪聲通常是在前端信號(hào)電平比較低的時(shí)候產(chǎn)生,而D類放大器通常都是功率放大器,所以噪聲的影響可以忽略。因此,在D類放大器中,最重要的失真就是非線性失真。
---非線性失真通常是用總諧波失真THD（Total Harmonic Distortion）來(lái)表示。THD是用所產(chǎn)生的新的頻率分量的幅度的總和來(lái)測(cè)量。通常這些新的頻率分量往往是輸入信號(hào)的諧波。偶倍數(shù)的諧波稱為偶次諧波,奇倍數(shù)的諧波稱為奇次諧波。對(duì)于推挽或平衡電路,因?yàn)樗鼈兪菍?duì)稱的,所以不會(huì)產(chǎn)生偶次諧波,而主要是奇次諧波。THD中各次諧波的總和是采用其幾何總和,也就是各次諧波幅度平方和的開(kāi)方值。假如二次諧波的幅度為4,三次諧波幅度也是4,那么其幾何和為5.66 (32的開(kāi)方值)。如果還要考慮噪聲的話,那么我們就用THD＋N（其中N為噪聲）來(lái)表示。D類放大器由于其噪聲比較大,所以其THD＋N的值要大于THD的值。
---D類放大器的失真主要是由以下因素所引起 :
- 采樣時(shí)的脈寬誤差和量化誤差
- 驅(qū)動(dòng)管的死區(qū)和延時(shí)
- 功放管的導(dǎo)通時(shí)間和體二極管恢復(fù)
- 輸出濾波電感和電容的非線性
---通常,D類放大器的THD是和輸出功率的大小有關(guān),輸出功率越大,其失真也跟著增大(見(jiàn)圖10)。
圖10. 典型的THD＋N和輸出功率的關(guān)系
---前面提到死區(qū)會(huì)造成失真。這可以從下面的波形圖上來(lái)理解。
圖11. 末級(jí)晶體管的死區(qū)會(huì)引起失真
---所以減小輸出晶體管的死區(qū)也可以減小其THD失真。例如,死區(qū)從40ns減少到15ns就可以把THD從2.1%減少到0.18%。
---諧波失真的可察覺(jué)程度取決于其基波的頻率、幅度和失真的百分比。人耳對(duì)于其基波在中間頻率（1－2kHz）和中等強(qiáng)度（80dB）的諧波失真比較敏感。
圖12.人耳對(duì)于諧波失真的頻率和幅度的敏感區(qū)
---在圖12中給出了人耳對(duì)于諧波失真的基波頻率和幅度的敏感區(qū)。從圖中可以看出,人耳對(duì)于頻率在1kHz-2kHz和幅度在80分貝左右的諧波失真干擾最為敏感。在這個(gè)區(qū)域,只能允許THD為0.1%;而同樣在1kHz到2kHz的基波頻率,其幅度如果只有10分貝,那么就可以允許30％THD。
---為了測(cè)量線性放大器的THD值,只要用一個(gè)選通濾波器濾去其基波,然后用一個(gè)RMS計(jì)測(cè)量剩余的幅度有效值,就可以得到其THD值。
---在數(shù)字放大器中的情況有很大的不同,因?yàn)椴捎昧撕芨叩牟蓸宇l率,所以它把諧波失真推到了很高的頻率范圍（見(jiàn)圖2）,只要用一個(gè)低通濾波器就可以有效地濾去其高次諧波。通常,采用一個(gè)很簡(jiǎn)單的低通濾波器,就可以很容易地把其高次諧波濾除至40分貝以下。
五. D類放大器的頻率響應(yīng)
D類放大器可以得到很好的頻率響應(yīng)。只要用于采樣的三角波重復(fù)頻率比音頻信號(hào)的最高頻率分量的頻率高10倍以上就可以。所以,用250Hz的三角波的D類放大器很容易得到超過(guò)20kHz的頻率響應(yīng)。
---下面是一個(gè)典型的D類放大器的頻率響應(yīng)。
圖13. 一個(gè)典型的D類放大器頻率響應(yīng)
（上面為增益,下面為相位）
六. D類放大器的電源抑制比（PSSR）
---所謂電源抑制比（PSSR）就是指電源的變化反映到輸出的變化之比�；蛘哒f(shuō)是電源對(duì)于放大器增益的影響。
---在線性放大器中,放大器的增益幾乎完全和電源電壓的變化無(wú)關(guān)。在D類放大器中情況就完全不同了。放大器的輸出直接和電源電壓有關(guān)。也可以說(shuō)放大器的增益和電源電源成正比。這時(shí)候它的PSSR就等于0 dB。這是完全不能接受的。
---為了提高放大器的PSSR,通�？梢圆捎秘�(fù)反饋的方法（見(jiàn)圖5）。采用負(fù)反饋以后,通�？梢园裀SSR提高到－70 dB以上。
七. D類放大器的濾波器
---因?yàn)橐恢钡侥┘?jí)功放,信號(hào)還是一些寬度不等的方脈沖,所以在送到喇叭以前一定要把音頻信號(hào)濾出來(lái)�；蛘哒f(shuō),要把高頻分量濾掉。所以需要用一個(gè)低通濾波器,串聯(lián)在輸出和喇叭之間。為了盡可能減小濾波器的電感量通常采用很高的采樣頻率。提高采樣頻率（通常為500KHz以上）以后,要濾掉它是很容易的事。實(shí)際上,喇叭本身就是一個(gè)小電感（大約為10uH）。所以不要任何濾波器也可以濾去高頻分量而留下音頻分量。這種D類放大器也稱為無(wú)濾波D類放大器。
---但是,喇叭的阻抗是隨頻率變化的。圖14中給出了一個(gè)8 歐姆喇叭阻抗的頻率特性。
圖14一個(gè)8歐姆喇叭的阻抗頻率特性
---它在400Hz時(shí)產(chǎn)生自諧振,其阻抗從8歐姆上升至10 歐姆,在10KHz時(shí),其阻抗開(kāi)始上升,到1MHz時(shí),達(dá)到100歐姆。在沒(méi)有音頻信號(hào)時(shí),末級(jí)輸出是對(duì)稱的方波,盡管喇叭阻抗為100歐姆,它仍然消耗功率,這樣就會(huì)使效率降低。而且,因?yàn)檫@時(shí)候高頻脈沖信號(hào)直接加到喇叭上,會(huì)引起較嚴(yán)重的射頻輻射。當(dāng)喇叭引線較長(zhǎng)時(shí),引線還會(huì)呈現(xiàn)分布電容,一方面使得送到喇叭的信號(hào)減弱,另一方面也會(huì)增大輻射。這些都是不希望的。所以,通常還是希望在輸出端加上一個(gè)濾波器。
---假如在高頻時(shí),負(fù)載呈現(xiàn)電容性,那么串聯(lián)一個(gè)電感就可以改善其特性。這個(gè)串聯(lián)電感可以使高頻分量不流向負(fù)載,從而減少了輻射,也提高了效率。我們可以簡(jiǎn)單地假設(shè)這個(gè)電感應(yīng)當(dāng)在30KHz時(shí)的感抗等于8歐姆,從而可以計(jì)算出其電感值為42.4 uH。假如這個(gè)D類放大器工作在250KHz的開(kāi)關(guān)頻率,那么在這個(gè)頻率上,它的感抗為66.7歐姆,大約比喇叭的阻抗大8倍。所以,它在開(kāi)關(guān)頻率下的損耗并不很嚴(yán)重。但是,必須注意,這個(gè)電感因?yàn)橐鬟^(guò)比較大的電流,所以應(yīng)當(dāng)采用較粗的導(dǎo)線。假如在8歐姆上要產(chǎn)生1.2瓦特的功率,那么,其電流就相當(dāng)于387mA(rms),其峰值電流將會(huì)達(dá)到550mA。必須保證在這樣大的電流下,這個(gè)電感不會(huì)因?yàn)轱柡投档土穗姼辛�。假如把開(kāi)關(guān)頻率提高4倍到1MHz,那么電感量就可以減小4倍,變成10uH。這時(shí)候電感的尺寸可以減小,但是提高頻率以后,其效率也會(huì)有所降低,失真也會(huì)有所加大。
---只用一個(gè)串聯(lián)電感并不能有效地解決高頻輻射的問(wèn)題。有時(shí)甚至還會(huì)使得電磁輻射更為嚴(yán)重。電磁輻射在便攜式產(chǎn)品更為敏感。因?yàn)樗锌赡軙?huì)干擾機(jī)內(nèi)的其它射頻電路。為了減小高頻輻射還必須再用一個(gè)并聯(lián)電容,以便直接把射頻干擾信號(hào)濾去。這時(shí)候它就變成了一個(gè)二階低通濾波器（圖15）。
圖15.二階低通濾波器
---根據(jù)巴特沃斯（Butterworth）濾波器的設(shè)計(jì)方法可以計(jì)算出這個(gè)電容量應(yīng)當(dāng)是0.146 uF。
---但是,因?yàn)镺UT－仍然有高頻信號(hào),所以,這種方法還不能有效地抑制射頻輻射。更好的方法是采用一種對(duì)稱的結(jié)構(gòu)（圖16）。
圖16.對(duì)稱的兩個(gè)二階低通濾波器
---這時(shí)候的電感量要減少一半,成為5uH,而電容量則要增加一倍。
八．D類放大器的應(yīng)用
---D類放大器的應(yīng)用十分廣泛,可以說(shuō),凡是需要進(jìn)行音頻放大的場(chǎng)合,都可以采用D類放大器。所以,從最經(jīng)典的電話機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)、音響設(shè)備,一直到現(xiàn)代的手機(jī)、MP3播放機(jī)、LCD電視機(jī)、電腦音響、… ,都可以采用D類放大器。然而和現(xiàn)代的模擬音頻放大器相比,D類放大器目前的價(jià)格還略為偏高。所以目前主要用在最需要采用D類放大器的場(chǎng)合。
---因?yàn)镈類放大器的最大優(yōu)點(diǎn)是效率高、省電。所以它特別適用于采用電池供電的設(shè)備。例如手機(jī)、筆記本電腦、便攜式DVD播放機(jī)等。這些設(shè)備在采用了D類放大器以后可以大大延長(zhǎng)電池的壽命。其它如大功率的音響設(shè)備,因?yàn)楹碾姾艽?所以也是非常需要采用高效率的D類放大器。
---D類放大器的分類可以按其功率等級(jí)來(lái)分,同時(shí)也可以按其使用范疇來(lái)分。
---按功率等級(jí)來(lái)分時(shí),D類放大器可以分為小于1瓦;1瓦至10瓦;10瓦至20瓦和20瓦以上。
---小于1瓦的D類放大器主要用于采用耳機(jī)聽(tīng)音的設(shè)備中,例如手機(jī)、MP3播放機(jī)、隨身聽(tīng)、便攜式收音機(jī)等等。
---1瓦至10瓦的D類放大器則主要應(yīng)用于采用喇叭作為發(fā)音設(shè)備,但是又離開(kāi)人體較近的設(shè)備中。例如,筆記本電腦、臺(tái)式電腦喇叭、便攜式DVD播放機(jī)、收音機(jī)、便攜式LCD電視機(jī)、汽車音響、玩具等。
---10瓦至20瓦的D類放大器則主要用于電視機(jī)、DVD播放機(jī)、普通音響設(shè)備、汽車音響設(shè)備、… 等。
---超過(guò)20瓦的D類放大器則是主要用于專業(yè)音響設(shè)備、以及特殊的汽車音響設(shè)備中。
---因?yàn)槭褂玫膱?chǎng)合不同,所以對(duì)D類放大器除了功率等級(jí)的不同以外,也還有有些其它的不同要求。例如對(duì)于小于1瓦的D類放大器,因?yàn)樗墓β屎苄?所以不需要采用高電壓等特殊工藝,從而可以和普通的CMOS器件集成在一起。所以,很多手機(jī)及MP3播放機(jī)中的D類放大器都已經(jīng)和音頻D/A,甚至和音頻處理DSP、MP3解碼器等集成在一起了。但是這種集成也還需要克服采樣信號(hào)的干擾等技術(shù)問(wèn)題,尤其是假如系統(tǒng)中還有射頻接收電路,這種無(wú)濾波器的D類放大器所產(chǎn)生的干擾更是一個(gè)麻煩的問(wèn)題。
---最近有一種新的平板喇叭出現(xiàn),它和LCD顯示屏集成在一起,這樣就減小了整個(gè)屏幕的面積。這種技術(shù)稱為SoundVu。這種平板喇叭有可能會(huì)應(yīng)用到所有的筆記本電腦、LCD顯示器中去。為了減小厚度,這種平板喇叭是采用壓電晶體作為激勵(lì)器的。壓電晶體是一個(gè)高阻器件,所以需要有較高的驅(qū)動(dòng)電壓（例如,8Vrms）,但只需要很小的驅(qū)動(dòng)電流。所以這種D類放大器的末級(jí)需要能夠承受較高的電壓（20V以上）。通常在這種D類放大器的芯片中還集成了一個(gè)DC－DC變換器,以便把較低的電池電壓（3V）提升至10V以上。
---其實(shí),D類放大器并不只限于應(yīng)用在音頻放大器中,可以說(shuō),凡是需要低頻放大的場(chǎng)合,都可以使用。例如在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路中,還有在陰極射線管電視機(jī)的垂直放大器中都可以采用。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)大市場(chǎng)就是CD/VCD/DVD的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。尤其在便攜式的CD/VCD/DVD播放機(jī)中,由于采用電池供電,所以提高馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的效率是十分重要的。在這種應(yīng)用場(chǎng)合中采用D類放大器就具有很重要的意義。同樣,在小型便攜式5寸電視機(jī)中,在垂直偏轉(zhuǎn)放大電路中采用D類放大器也可以大大減小電池耗電。只是這種電視機(jī)已經(jīng)逐漸被便攜式的LCD電視機(jī)所取代了。
九．D類放大器的市場(chǎng)
---由于D類放大器的優(yōu)越的性能,使得其市場(chǎng)在近年來(lái)有極快的發(fā)展。根據(jù)半導(dǎo)體報(bào)告（Forward Concept）的數(shù)據(jù),其全球市場(chǎng)在2003年增長(zhǎng)了200％,達(dá)到了八千四百萬(wàn)美元。在2004年將要增長(zhǎng)68％。預(yù)計(jì)在2008年相對(duì)于2003年增長(zhǎng)10倍,達(dá)到八億兩千三百萬(wàn)美元。由此可以推算出各年的發(fā)展如圖17所示。
圖17. 全球D類放大器的預(yù)計(jì)年?duì)I業(yè)額
---這樣高的增長(zhǎng)速度在同類的集成電路中是罕見(jiàn)的�？梢灶A(yù)計(jì),在2010年左右,D類放大器將會(huì)在各種應(yīng)用場(chǎng)合取代幾乎所有的普通A類和AB類放大器。
