音頻放大器的用途是在發(fā)聲輸出元件上復現輸入音頻信號，提供所需要的音量和功率水平——保證復現的忠實(shí)性、高效率以及低失真度。在這一任務(wù)面前，丁類(lèi)放大器表現出多方面的優(yōu)勢。

音頻是指約20Hz到20kHz的頻率范圍，因此一個(gè)音頻放大器在這個(gè)頻段上必須具備出色的頻率響應特性（在驅動(dòng)頻帶有限的低音和高音揚聲器時(shí)，頻響特性較好的頻率范圍可更窄些）。功率能力方面的需求則變化很大，具體指標取決于應用要求，從頭戴式耳機的mW級到TV或PC影響上的數W，再到“微型”家庭立體聲音響、汽車(chē)音響，而最高者是功率更強的家用和用于劇場(chǎng)和禮堂的商用音響系統，其功率達到數百W甚至更高。

音頻放大器最直截了當的、模擬式的實(shí)現方式是讓晶體管工作在線(xiàn)性模式下，讓輸出電壓以一定比例隨輸入信號電壓變化。前向的電壓增益往往很高（至少40dB）。如果前向增益是反饋回路的一部分，則總的回路增益也將很高。電路中常常要采用反饋，因為很高的環(huán)路增益可以提供更高的性能——抑制前向通路的非線(xiàn)性所造成的失真，并通過(guò)提高電源抑制能力（PSR）來(lái)減小電源噪聲。

在常規的晶體管放大器中，輸出級上的晶體管需要提供時(shí)刻連續的輸出電流。音響系統可以采用的多種實(shí)現形式包括A類(lèi)、AB類(lèi)和B類(lèi)。與丁類(lèi)放大器相比，這些電路中，即使是效率最高的線(xiàn)性輸出級，其功率的耗散很大。這一差異反襯出，丁類(lèi)放大器在許多應用方面具有顯著(zhù)的優(yōu)勢，因為較小的功率耗散意味著(zhù)更低的發(fā)熱量、電路板空間及成本的節省和便攜式系統的電池工作時(shí)間的延長(cháng)。

所有線(xiàn)性輸出級都會(huì )出現功率的耗散，因為Vout的產(chǎn)生不可避免地造成至少一個(gè)輸出晶體管上出現非零的IDS和VDS。功率耗散的量的大小在很大程度上取決于輸出晶體管的偏置方法。

A類(lèi)架構將架構中的一個(gè)晶體管用作一個(gè)能提供揚聲器所需的最大音頻電流的DC電流源。A類(lèi)輸出級可以提供良好的音響品質(zhì)，但由于輸出級晶體管上往往流過(guò)很大的DC偏置電流（這是我們所不希望出現的），而這一電流無(wú)法提供給揚聲器（這反而是我們所希望的），因此會(huì )產(chǎn)生過(guò)大的功率耗散。

B類(lèi)揚聲器取消了DC偏置電流，所耗散的功率大大下降。其輸出晶體管按照推－拉方式進(jìn)行分別控制，這樣，其中的一個(gè)器件向揚聲器提供正向電流而另一個(gè)則吸納負向電流。這減少了輸出級的功率耗散，晶體管中只流過(guò)信號電流。然而，B類(lèi)電路的音響質(zhì)量較差，因為當輸出電流過(guò)0點(diǎn)、晶體管在導通和關(guān)斷狀態(tài)間切換時(shí)，其工作在非線(xiàn)性狀態(tài)（交越失真）。

AB類(lèi)輸出電路是A類(lèi)和B類(lèi)電路之間的一種折中，它具有一定的DC偏置電流，但該電流遠小于純A類(lèi)設計所用的電流。小的DC偏置電流足以防止交越失真，從而保證良好的音響質(zhì)量。功率耗散雖然在A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)之間，但一般更接近B類(lèi)。AB類(lèi)電路必須采取某種類(lèi)似于B類(lèi)電路的控制機制，以便能夠提供或者吸納很大的輸出電流，

一種不同的拓撲結構——丁類(lèi)放大器的出現，是值得慶幸的事，它所消耗的功率遠低于其他任何一種電路。其輸出級在正、負電源之間來(lái)回切換，以便產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖鏈。這一波形對于降低功率耗散來(lái)說(shuō)是有利的，因為輸出晶體管在不發(fā)生開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)電流為零，而在導通電流時(shí)其兩端電壓很低，因此IDS×VDS值更小。

因為大多數音頻信號并非脈沖鏈，因此，必須通過(guò)一個(gè)調制器來(lái)將音頻輸入變換為脈沖。這些脈沖的頻率分量既包括所需要的音頻信號，也包括調制過(guò)程引入的顯著(zhù)的高頻能量。

輸出級和揚聲器之間常常要放入一個(gè)低通濾波器，以便最大限度地降低電磁干擾（EMI），并避免驅動(dòng)揚聲器的高頻能量過(guò)高。濾波器應該是無(wú)損耗的（或者接近無(wú)損耗的）以便保證開(kāi)關(guān)輸出級的低功率耗散的優(yōu)勢。該濾波器通常由電容和電感構成，唯一的一個(gè)有意引入的功率耗散元件就是揚聲器本身。

喀嗒聲和砰爆聲
要保證丁類(lèi)放大器的總體上的優(yōu)良的音響品質(zhì)，就必須解決若干問(wèn)題。

放大器導通和關(guān)斷會(huì )伴隨有令人厭煩的喀嗒聲和砰爆聲。不幸的是，丁類(lèi)放大器中很容易引入這些噪聲，除非能夠在放大器的靜音和非靜音的狀態(tài)切換過(guò)程中對調制器的狀態(tài)、輸出級的定時(shí)關(guān)系和LC濾波器狀態(tài)進(jìn)行精心的調控。

為了避免放大器背景噪聲能造成人耳可以聽(tīng)到的咝咝聲，在便攜式應用中的低功率放大器的信噪比（SNR）往往要大于90dB，而用于中等功率和大功率的設計的放大器的SNR應分別為100dB和110dB以上。多種類(lèi)型的放大器實(shí)現方案都可以做到這一點(diǎn)，但在放大器設計中應該追蹤各個(gè)噪聲源，以確�？偟腟NR達到令人滿(mǎn)意的程度。

產(chǎn)生失真的機制包括調制技術(shù)或者調制器實(shí)現方案中的非線(xiàn)性，以及為了防止直通（shoot-through）電流問(wèn)題而在輸出級引入的“死區”（dead time）。

關(guān)于音頻信號強度的信息通常是通過(guò)丁類(lèi)調制器輸出脈沖的寬度來(lái)編碼的。為了防止輸出級的直通電流而引入死區，就會(huì )帶來(lái)非線(xiàn)性的定時(shí)誤差，這又會(huì )在揚聲器上產(chǎn)生與相對于理想脈沖寬度的定時(shí)誤差成正比的失真量。為了最大限度減小失真，避免直通而引入的死區時(shí)間應該盡可能縮短。

其它的失真源包括輸出脈沖的上升和下降時(shí)間的不匹配、輸出晶體管柵極驅動(dòng)電路的定時(shí)特性的不匹配以及LC低通濾波器的元件的非線(xiàn)性。

在電源波動(dòng)抑制能力方面，電源噪聲幾乎可以在受到很小的抑制的情況下，直接耦合到揚聲器上。之所以如此，是因為輸出級的晶體管將電源通過(guò)一個(gè)很小的電阻直接連接到低通濾波器上。濾波器可以抑制高頻噪聲，但可以通過(guò)所有音頻分量，包括噪聲。

如果失真和電源問(wèn)題都不能得到解決的話(huà)，就很難實(shí)現優(yōu)于10dB的PSR或者優(yōu)于0.1%的總諧波失真。更糟糕的是，THD屬于會(huì )發(fā)出難聽(tīng)的聲音的、高階的分量。

幸運的是，這些問(wèn)題有兩種解決方案。如果音響設計者使用帶很高環(huán)路增益的反饋的話(huà)（正如許多線(xiàn)性放大器設計），則會(huì )大大提高電路性能。來(lái)自于LC濾波器輸入的反饋將大大改善PSR，并衰減所有的非LC濾波器失真。LC濾波器的非線(xiàn)性可以通過(guò)將揚聲器也納入反饋環(huán)路的方法來(lái)衰減。在設計合理的閉環(huán)丁類(lèi)放大器中，設計者可以獲得高保真級的音響品質(zhì)：PSR>60dB，THD<0.01%。

系統成本
影響采用丁類(lèi)放大器的音響系統的總成本的重要因素到底是哪些？設計者如何才能最大限度降低成本？

丁類(lèi)放大器的有源元件是開(kāi)關(guān)輸出級和調制器。該電路的成本可以大致與模擬線(xiàn)性放大器的成本相當，而系統的其他元件上是需要真正付出代價(jià)的地方。

丁類(lèi)放大器的較低的功率耗散可以為其省下冷卻裝置（散熱器或者風(fēng)扇）的成本（和空間）。丁類(lèi)集成電路放大器可以使用一個(gè)比線(xiàn)性放大器更小的、更便宜的封裝。在利用數字音頻信號源進(jìn)行播放時(shí)，模擬的線(xiàn)性放大器需要通過(guò)數字－模擬變換器來(lái)將音頻信號變換為模擬形式。模擬輸入的丁類(lèi)放大器也需要數模變換器，但數字輸入型電路可以有效的集成一個(gè)D/A轉換器功能。

另一方面，丁類(lèi)放大器在成本上的主要缺點(diǎn)就在于它要使用LC濾波器。該元件——特別是電感——將占用電路板空間并增加成本。在大功率的放大器中，總的系統成本仍然具有競爭力，因為在冷卻裝置方面實(shí)現的極大的成本節約可以抵消LC濾波器的成本的增加。但是，在對成本敏感的、低功耗的應用中，電感的成本是巨大的。在極端情況下，如手機用的低價(jià)位放大器，放大器IC的成本可能低于總的LC濾波器的成本。此外，即使不考慮成本，LC濾波器所占用的電路板空間對于小外形尺寸的應用來(lái)說(shuō)也是一個(gè)問(wèn)題。

為了解決這些問(wèn)題，有時(shí)人們干脆取消LC濾波器，即采用一個(gè)無(wú)濾波的放大器。這可以節約成本和空間，雖然不能享受到低通濾波的好處。如果沒(méi)有濾波器的話(huà)，EMI和高頻功率耗散可能會(huì )增加到令人無(wú)法接受的地步，除非揚聲器是電感性的，其位置緊鄰放大器，而且電路環(huán)面積很小，功率水平很低。雖然在手機等便攜式應用中常�？梢宰鞯竭@一點(diǎn)，但該技術(shù)并不適用于功率更大的系統，如家用立體聲音響。

另一個(gè)方法是盡可能減少每個(gè)通道的LC濾波元件。這可以通過(guò)采用單端的半橋式輸出級電路來(lái)實(shí)現，這種電路結構所需要的電感和電容的數量是差動(dòng)式的、全橋式的電路的一半。但是，如果半橋需要采用雙極型電源的話(huà)，則產(chǎn)生負電源所需的成本也高得讓人無(wú)法接受，除非由于另外的考慮而采用了某種負電源的話(huà)——或者，放大器有足夠的音頻通道，以便分攤采用負電源所帶來(lái)的成本上升。另一方面，半橋電源也可以依靠單電源來(lái)供電，但輸出功率必須降低，而且它也往往需要采用一個(gè)很大的DC隔直電容。

丁類(lèi)放大器的輸出級在正、負電源之間進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換，產(chǎn)生一系列電壓脈沖，而不是像傳統音頻應用中的A、B、AB類(lèi)放大器那樣產(chǎn)生線(xiàn)性輸出。其輸出通過(guò)一個(gè)無(wú)源的LC低通濾波器來(lái)驅動(dòng)一個(gè)揚聲器。輸出晶體管在關(guān)斷時(shí)電流為零，而導通時(shí)的電壓降很小，這使得丁類(lèi)放大器的功率耗散遠遠低于其他方案。因此，丁類(lèi)放大器的功耗更低，占用的電路板空間更小，而且讓便攜式系統中的電池的工作壽命得以延長(cháng)，因此是音響應用的理想選擇。

音響設計師在研制高性能的丁類(lèi)音響放大器時(shí)需要仔細考慮多種細節，包括輸出晶體管尺寸的選擇、輸出級的保護、調制技術(shù)和濾波器拓撲等。除了預期的音質(zhì)外，EMI的削減和系統成本也是要考慮的因素。

幸運的是，可以買(mǎi)到的商業(yè)化集成電路產(chǎn)品即可以實(shí)現整個(gè)丁類(lèi)放大器的功能，其中包含了增益可編程的放大器、調制器和輸出級，以減少音響設計者的工作量和縮短上市時(shí)間。評估板、PC板布局布線(xiàn)和合理的材料清單，使得人們可以快速設計出成本經(jīng)濟性好的音響系統，而不必重復開(kāi)發(fā)丁類(lèi)放大器的主要部分。