綠色能源標準、更低成本和更高音頻保真度的需求正在推動(dòng)D類(lèi)放大器在高功率音頻中的應用。傳統的模擬實(shí)現（例如AB類(lèi)拓撲結構）比較復雜且效率低，但由于其對音頻的高保真性能，占據了高端音頻市場(chǎng)。D類(lèi)系統設計更簡(jiǎn)單、更高效，且提供媲美模擬放大器的高保真能力，正在迅速縮小在高端音頻市場(chǎng)中的差距。

　　典型的D類(lèi)音頻系統先把模擬音頻輸入信號轉換為數字PWM信號，在數字域進(jìn)行功率放大，然后再把數字信號轉換成模擬音頻信號輸出。如圖1所示，輸入的音頻信號被送到一個(gè)脈沖寬度調制器（PWM），它由運算放大器和比較器組成，調制器通過(guò)生成與音頻輸入信號瞬時(shí)值成正比的調制占空比信號對音頻數字化。

　　圖1：D類(lèi)放大器的基本框圖

　　PWM信號進(jìn)行適當的電平變換，然后送到柵極驅動(dòng)器，這個(gè)驅動(dòng)器控制由MOSFET（M1和M2）組成的雙態(tài)功率電路。放大后的信號然后通過(guò)輸出濾波器（消除PWM載波頻率），最終僅僅放大了的模擬音頻信號驅動(dòng)揚聲器。通過(guò)把濾波器輸入信號反饋到錯誤放大器輸入端，進(jìn)行外部環(huán)路濾波，降低了失真和噪聲，進(jìn)一步提高了音頻輸出保真度。

　　D類(lèi)放大器設計

　　功效

　　傳統的模擬功率放大器依賴(lài)于線(xiàn)性放大電路，很容易造成高功率損失。而相比之下，D類(lèi)放大器的功率效率可以達到90％或更高（這取決于設計）。這種高效率的益處是D類(lèi)放大器技術(shù)所固有的，放大機制使用二進(jìn)制轉換（通常是功率MOSFET）。這些開(kāi)關(guān)或者完全導通或者完全關(guān)閉，只有很少的時(shí)間花費在狀態(tài)轉換上。離散的開(kāi)關(guān)動(dòng)作和低MOSFET導通阻抗，減少了I2R損耗，提高了效率。然而，在實(shí)踐中，開(kāi)關(guān)轉換時(shí)間（死區時(shí)間）必須足夠長(cháng)以避免兩開(kāi)關(guān)同時(shí)運行時(shí)效率急劇下降。

　　高保真

　　音頻保真度可以被定義為聲音再生后的完整性，對于音頻系統，保真度一直是聲音質(zhì)量的代名詞。同時(shí)其他指標也被用于衡量保真度，部分指標的測量對設計人員來(lái)說(shuō)特別具有挑戰性。最具挑戰性的兩個(gè)指標是：總諧波失真（THD）和噪聲（N），統稱(chēng)為T(mén)HD+N。

　　THD是對音頻系統的精確測量，非常類(lèi)似于高保真本身。再生信號的誤差來(lái)自于其他元件產(chǎn)生的輸入頻率諧波，明顯的區別于純輸出信號。THD是所有多余的諧波頻率能量與基本輸入頻率能量的比值，典型的在給定系統的半功率下測量獲得。THD性能對于大多數非高保真音頻應用來(lái)說(shuō)通常小于0.1%，挑剔的聽(tīng)眾通常需要THD等級低至0.05％甚至更低。

　　輸出噪聲等級是對沒(méi)有信號輸入的放大器輸出的本底噪聲電平的測量。對于大多數揚聲器來(lái)說(shuō)，100-500uV的本底噪聲在正常的收聽(tīng)距離內是聽(tīng)不到的，而達到1mV的本底噪聲就太吵了，所以，THD+N是衡量放大器音頻保真度的很好指標。

　　D類(lèi)驅動(dòng)器IC：特性和益處

　　可編程死區時(shí)間

　　D類(lèi)放大器死區時(shí)間（即兩個(gè)開(kāi)關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的時(shí)間段）直接影響到效率和THD。過(guò)于短暫的死區時(shí)間會(huì )引起直通電流，降低效率，過(guò)長(cháng)的死區時(shí)間又會(huì )增大THD，這會(huì )給音頻保真度帶來(lái)不利影響。

　　必須精確設定死區時(shí)間，找到使功率效率和THD都最優(yōu)的“最佳位置”。當前典型高電壓音頻驅動(dòng)器具有不精確的、重疊的死區時(shí)間設置（即1/n延遲值）。因此，多數設計人員都選擇采用分立元件來(lái)處理死區時(shí)間，這不僅花費高而且耗時(shí)間。一個(gè)簡(jiǎn)潔且經(jīng)濟的解決方法是集成具有高精度死區發(fā)生器的柵極驅動(dòng)器。

　　電平變換

　　由于輸入電平轉換的要求，實(shí)現雙態(tài)D類(lèi)放大器可能有一定難度。 在高功率D類(lèi)放大器中，最好為功率MOSFET階段提供高壓供電軌（±VSS）。實(shí)際D類(lèi)放大器設計中，±100Vdc電壓可以在8Ω負載上產(chǎn)生高達600W的音頻功率。

　　大多數現有高電壓IC（HVIC）D類(lèi)驅動(dòng)器缺乏將低壓調制部分轉為高壓電源部分的能力。能夠提供電平轉換的驅動(dòng)器有也有其他不足，這使得它很難成為D類(lèi)操作的理想選擇（例如，驅動(dòng)器輸出接地端子采用負電壓軌，要求輸入驅動(dòng)信號電平轉換到負電源）。通過(guò)分立器件添加該項功能，成本高、設計難度大且占用大量空間，具備高電壓雙極供電接口的電平轉換解決方案是D類(lèi)設計的顯著(zhù)優(yōu)勢。

　　通常，大多數驅動(dòng)器解決方案不提供輸入輸出隔離，也不提供驅動(dòng)器間的隔離，因此需要額外元件提供電平轉換機制。

　　圖3：低壓數字調制器與高壓雙極輸出電源之間接口需要電平轉換

　　可靠性和噪聲抑制

　　現有的典型柵極驅動(dòng)器IC在20V/ns或更大的高電壓瞬變時(shí)容易發(fā)生鎖閉，通常情況下對高轉換速率瞬變噪聲（從功率級反饋耦合到精確數字輸入端）沒(méi)有抑制作用。在試圖獲得最佳音頻保真度且保持本底噪聲盡可能低時(shí)，缺乏噪聲抑制是其主要劣勢。

　　高頻操作

　　D類(lèi)柵極驅動(dòng)器的最佳特性之一是能夠在高開(kāi)關(guān)頻率下運行，且傳播延遲最小。這些特性使得在反饋路徑上的總循環(huán)延遲非常低，獲得盡可能好的噪聲性能。更高頻率下運行也提高了“循環(huán)增益”，改善了放大器的失真性能�，F有的大多數HVIC驅動(dòng)器僅支持最高1MHz的調制頻率。

　　集成度

　　在當今競爭激烈的全球市場(chǎng)上，集成了所有這些特性的解決方案，將為D類(lèi)放大器設計人員提供很大便利，他們可以通過(guò)縮短設計時(shí)間、減少元件數量、降低插入成本以及因較多器件數量而帶來(lái)的較低可靠性，從而使其產(chǎn)品盡早上市。

　　小結

　　D類(lèi)放大器的特性遠遠超越了傳統模擬放大器，包括更低的THD、更小的電路板空間、更高的功率效率和更低的BOM成本。高集成的柵極驅動(dòng)器IC對系統構架和音頻性能都有顯著(zhù)的積極作用。Silicon Labs公司的Si8241/8244音頻驅動(dòng)器是首個(gè)集成所有特性到單一IC封裝的高功率D類(lèi)放大器解決方案。這些柵極驅動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)包括：為最低THD和最佳功效提供高精度死區時(shí)間設置；無(wú)需為輸入信號電平轉換而增加復雜設計和器件數量；隔離的輸出驅動(dòng)器，簡(jiǎn)化雙態(tài)開(kāi)關(guān)器實(shí)現；對瞬變電源有較高抑制力。