常見(jiàn)問(wèn)題解答的第1部分提供了關(guān)于D類(lèi)放大器的概論，并回答了如何進(jìn)行選擇放大器以及D類(lèi)放大器濾波器的設計問(wèn)題。
什么是D類(lèi)放大器
D類(lèi)放大器使用了脈沖寬度調制電路來(lái)保持其輸出晶體管工作在全開(kāi)或全關(guān)狀態(tài)。換句話(huà)說(shuō)，在任何時(shí)候，瞬時(shí)輸出電壓要么是一個(gè)供電電壓，要么是另一個(gè)，當然這里忽略了在切換時(shí)的短暫過(guò)渡期。因此，輸出電流從設備中沒(méi)有明顯電壓下降而傳導出來(lái)。
歐姆定律指出，功率等于電壓乘以電流。D類(lèi)放大器將這一等式中的電壓部分保持近似為零，因此盡可能的避免了輸出階段的消耗功率。D類(lèi)放大器比其他技術(shù)有著(zhù)更好的優(yōu)勢，該類(lèi)放大器的典型效率最高可達95%，平均效率也在80%的水平。D類(lèi)放大器可以切換的頻率高于音頻帶。大部分的D類(lèi)放大器的切換頻率為300K赫茲到2M赫茲。
為什么要使用D類(lèi)放大器
因為D類(lèi)放大器非常有效，充分利用了來(lái)自電池以及其他功率受限源的有限功率。此外，這種較高效率消除了很多放大器在低于10瓦輸出功率時(shí)的散熱要求。D類(lèi)放大器并沒(méi)有對其他鄰近的元件以及其他拓撲結構造成散熱影響，從而降低了環(huán)境的溫度。另外，D類(lèi)放大器的熱效率使其可使用標準的IC封裝，無(wú)需特別考慮散熱問(wèn)題。
何時(shí)使用D類(lèi)放大器?
使用D類(lèi)放大器并不適用于所有應用的最重要原因是輸出的切換會(huì )造成電磁干擾。很多應用場(chǎng)合中，這種電磁干擾是可以容忍的，因此可認為這些設備滿(mǎn)足了電磁兼容的認證，但設計師不選用D類(lèi)放大器還有另外一些考慮。
D類(lèi)放大器第二個(gè)要考慮的是他們的聲音質(zhì)量一般不如AB類(lèi)放大器以及其他技術(shù)的好。盡管在紙面上比較這兩種拓撲可能會(huì )導致這個(gè)結論，在一些終極的應用中，這往往不再是一個(gè)問(wèn)題，因為揚聲器的失真是系統失真的主要因素。
什么是半橋/單端D類(lèi)放大器
半橋D類(lèi)放大器每個(gè)通道都有一個(gè)輸出。在半橋模式下(單端輸出放大器同理)揚聲器連接著(zhù)雙供電系統中的單個(gè)輸出并接地。在單供電系統中，一個(gè)較大的電容用來(lái)阻止VCC/2直流電壓通過(guò)揚聲器的負載而出現。這個(gè)電容一般是幾百微發(fā)或者更多，這取決于系統的低音要求和揚聲器額阻抗。
什么是全橋/差分D類(lèi)放大器
半橋放大器對于那些對稱(chēng)的雙供電系統是非常好的。所需的直流阻止電容的成本及尺寸使得他們在單供電系統并不適用。
全橋D類(lèi)放大器每個(gè)通道有兩個(gè)輸出。全橋放大器又被稱(chēng)作橋接負載(BTL)放大器或差分放大器。在全橋模式下，揚聲器連接著(zhù)兩個(gè)輸出端。D類(lèi)放大器的輸出偏置很低，因此無(wú)需隔直電容。
全橋放大器提供了尺寸最小的系統解決方案，也是D類(lèi)放大器拓撲中最常見(jiàn)的。
是D類(lèi)放大器還是“數字”放大器
在很多情況下，D類(lèi)放大器不是數字放大器。這主要有幾個(gè)理由。在一個(gè)基本的開(kāi)環(huán)數字D類(lèi)放大器中，放大器的功率供應抑制幾乎為零。實(shí)際上，功率供應的幅度是用來(lái)音量控制的。純數字放大器的另一個(gè)問(wèn)題是在輸出延遲、傳輸時(shí)間以及過(guò)沖的不匹配。這些綜合起來(lái)就會(huì )產(chǎn)生輸出的非線(xiàn)性現象，從而產(chǎn)生諧波失真。
幸運的是，模擬方法可以減輕上面的缺點(diǎn)。D類(lèi)放大器的絕大多數使用了模擬域的全局反饋和糾錯技術(shù)。這使得THD+N范圍為0.01%，超過(guò)08dB的PSRR是常見(jiàn)的。
一些D類(lèi)放大器是真正意義上的數字放大器。專(zhuān)用的數字電路彌補了輸出限制的非線(xiàn)性。真正意義上的D類(lèi)放大器實(shí)際上只占D類(lèi)放大器芯片的一小部分。
半橋D類(lèi)放大器相比于全橋放大器，有哪些優(yōu)勢?
半橋D類(lèi)放大器使用更小的芯片，來(lái)得到同樣數量級的功率，從而使得相對于真個(gè)芯片的成本而言，每瓦的成本最低。半橋設備在單供電系統中需要一個(gè)隔直電容，因而會(huì )抵消整個(gè)成本上的優(yōu)勢，另外還使得整個(gè)解決方法的尺寸變大。
在有很多大LED背光供電的應用中，如24V，使用半橋放大器會(huì )得到更好的性?xún)r(jià)比，對應的驅動(dòng)負載為8Ω，每個(gè)輸出通道獲取8瓦-10瓦。
其他類(lèi)型的放大器有哪些?
普遍采用的音頻放大器有：
* A類(lèi)
* B類(lèi)
* AB類(lèi)
* D類(lèi)
* G類(lèi)
* H類(lèi)
通過(guò)搜索網(wǎng)頁(yè)，讀者可以得到這些類(lèi)型放大器的描述。一些芯片制造商已經(jīng)添加了“新型”類(lèi)型來(lái)描述他們的D類(lèi)的特殊類(lèi)。有辨析能力的設計師將會(huì )看到這些器件的優(yōu)點(diǎn)，而不會(huì )被最新的營(yíng)銷(xiāo)描述所迷惑。
D類(lèi)的耳機放大器怎么樣?
D類(lèi)耳機放大器已經(jīng)應有了很多年。它們的應用主要是圍繞耳機本身的特點(diǎn)。D類(lèi)放大器的較低的電磁干擾性能要求工程師控制導線(xiàn)的長(cháng)度、導線(xiàn)的類(lèi)型以及揚聲器的負載阻抗。當用戶(hù)將任何一個(gè)耳機連接到標準的耳機插孔上，所有這些控制都是徒勞的。實(shí)際上，耳機線(xiàn)本身是一個(gè)很好的天線(xiàn)，很多便攜式設備都用它作為調頻接收天線(xiàn)。
在一個(gè)自供電耳機中，這并沒(méi)有什么問(wèn)題。很多藍牙耳機有全橋D類(lèi)放大器來(lái)提供最佳的電池使用周期。在這樣的系統中，耳機線(xiàn)會(huì )很短，負載阻抗也是已知的。
D類(lèi)放大器可以工作在鋰電池上嗎?
用于便攜式設備的D類(lèi)放大器的標準工作電壓為3V到4.2V，因此對于使用鋰電池或鋰聚合物電池十分理想。在這樣的供電范圍內，可用的功率隨著(zhù)電池電壓變化而變化。例如，當負載為8Ω時(shí)，供電電壓為3V就意味著(zhù)功率為500mW，而電壓變?yōu)?.2V時(shí)功率為1.1W。實(shí)際性能依賴(lài)于D類(lèi)放大器。
如何在較大的供電范圍內獲取穩定的輸出功率?
D類(lèi)放大器的高效率使其成為升壓供電系統的理想之選。一些負載為8Ω的應用需要輸出功率為1W，而不考慮電池電壓情況。在這樣的系統中，使用D類(lèi)放大器可以滿(mǎn)足這樣性能要求。
一些D類(lèi)放大器有升壓轉換裝置，如LM48510。這就為放大器提供了一個(gè)開(kāi)關(guān)模式的電源供應，因此當電壓超過(guò)5.5V時(shí)，D類(lèi)放大器仍可以工作。這種方法的另一個(gè)好處是升壓可以用作LED閃光燈或照明。
什么是無(wú)濾波式D類(lèi)放大器
無(wú)濾波式D類(lèi)放大器具有自適應輸出調制功能，因此塔可用于直接連接揚聲器，中間無(wú)需濾波器。無(wú)濾波式D類(lèi)放大器可用在那些耳機線(xiàn)小于10cm的應用中。
如果是非無(wú)濾波式D類(lèi)放大器，那么推薦使用一個(gè)濾波器。脈寬調制(PWM)波形會(huì )在揚聲器的音圈中造成較高的I2R失真，進(jìn)而減小了電池的壽命，并可能會(huì )破壞揚聲器。
為什么我的無(wú)濾波式D類(lèi)放大器中還有濾波器?
很多無(wú)濾波式D類(lèi)放大器，如LM4675，在其演示板上依然包含了一個(gè)濾波器。這個(gè)濾波器是為了允許用戶(hù)通過(guò)典型的示波器和音頻分析儀來(lái)測試那個(gè)其D類(lèi)放大器的性能。PWM波形比聲音信號本身好強的多，因此可以驅動(dòng)這些測試儀器的輸入。該濾波器的出現允許使用標準的測試設備來(lái)對系統進(jìn)行評估。
我是否需要一個(gè)濾波器用在D類(lèi)放大器上?
在連接線(xiàn)較短的應用中，這個(gè)問(wèn)題的回答是：不需要。一些D類(lèi)放大器使用了擴頻時(shí)鐘來(lái)減小RF能量出現在輸出上。邊緣速率受限的電路減小了實(shí)際的RF能量滲到輸出端。將擴頻和邊緣速率受限結合起來(lái)，例如LM48310，就可以實(shí)現最佳的電磁兼容認證，而無(wú)需輸出濾波器。
如何為D類(lèi)放大器設計濾波器?
L = (0.225 * RL) / fC
C= 0.113 / (RL * fC)
用于D類(lèi)放大器的低通濾波器可以使用同一公式和(或)同樣的軟件，如揚聲器天橋。在絕大多數應用中，二階巴特沃斯傳遞函數會(huì )提供最佳組合性能，包括敏感度及成本。對于單端放大器而言，該公式可表示為：
L = (0.225 * RL) / fC
C= 0.113 / (RL * fC)
其中RL為揚聲器的阻抗，fC為理想的截止頻率，L和C分別為該濾波器的電感和電容。例如，當負載阻抗為8Ω和理想截止頻率為30kHz時(shí)，電感值為60μH，電容值為0.47μF。
不幸的是，60μH是一個(gè)非標準的值，因此我們需要增加該值成為標準的68μH。通過(guò)逆推電感方程，可得新的截止頻率為26.5kHz，因此我們會(huì )獲得新的電容值為0.53μF，這可以通過(guò)將0.47μF的電容和6800pF的電容并聯(lián)而近似得到。。
L1 = L2 = (0.113 * RL) / fC
CTOT = 0.225 / (RL * fC)
對于全橋D類(lèi)放大器，上述公式可修改稱(chēng)如下所示：
L1 = L2 = (0.113 * RL) / fC
CTOT = 0.225 / (RL * fC)
CTOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1)
其中L1和L2是兩個(gè)所需的電感，CTOT是總的負載電容。全橋D類(lèi)放大器的負載電容通�？赏ㄟ^(guò)下列公式得到
CTOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1)
其中CS1和CS2分別是接地的并聯(lián)電容，CD1是微分電容。例如，對于負載阻抗為8Ω和理想截止頻率為30kHz時(shí)，電感為30μH，而電容為0.934μF。
不幸的是，30μH是非理想的值，因此需要修改該值成標準的33μH，從而需要逆推電感公式得到新的截止頻率為27.4kHz，進(jìn)而新的電容為1.03μF�？梢詫⒃O置CD1=0.47μF，CS1=0.047μF，CS2=0.047μF來(lái)得到所需的CTOT。
這種分離濾波器電容方法的最大好處在于，這樣可以得到很好的電磁兼容性能和良好的音頻性能。CD1值越大，越能提高音頻頻段的濾波性能;CS1和CS2越小，越能使能減小電磁兼容測試時(shí)的高頻干擾。 |
