數(shù)十年的不斷開(kāi)發(fā)和大量生產(chǎn)造就了能夠滿足許多行業(yè)市場(chǎng)的成熟放大器技術(shù)。A類放大器設(shè)計(jì)用于更苛刻的高端應(yīng)用，B類和AB類放大器則通過(guò)在成本、容量和性能之間進(jìn)行折衷而服務(wù)于消費(fèi)者市場(chǎng)。
但是，D類放大器技術(shù)已經(jīng)使這種平衡發(fā)生了變化。以前音頻放大器的功率效率一度限制在大約30%~50%的范圍內(nèi)，采用D類放大器技術(shù)后，其功效就幾乎翻了一番，達(dá)到85%，甚至90%的水平。對(duì)于給定的輸出功率，這就可以使電源、散熱器件和外殼縮小很多，或者在給定預(yù)算下就可以購(gòu)買更大功率的放大器。
這樣一個(gè)巨大的改進(jìn)緣于D類放大器輸出級(jí)采用開(kāi)關(guān)控制，而不是象傳統(tǒng)放大器那樣采用模擬信號(hào)控制。從理論上而言，在“off”狀態(tài)，通過(guò)每個(gè)晶體管的電流為0，或者在“on”狀態(tài)下其兩端的電壓為0，因此功耗(即電流和電壓的乘積P = IV)就接近于0。實(shí)際上，在“on”狀態(tài)下晶體管的“on”電阻會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的電壓降。D類放大器產(chǎn)生功耗的其它原因還包括功率晶體管相對(duì)較大的門電容和輸出級(jí)前面的系統(tǒng)元器件。
實(shí)際上，D類放大器采用開(kāi)關(guān)器件由附加電路產(chǎn)生模擬波形。在輸出級(jí)前一個(gè)調(diào)制器就將數(shù)字或模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)，一個(gè)低通重構(gòu)濾波器將放大的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的模擬信號(hào)。
在較小的放大器中，調(diào)制器和輸出級(jí)有時(shí)候就集成進(jìn)單個(gè)硅片上。但是這樣芯片的輸出功率會(huì)因?yàn)镈SP器件和大功率開(kāi)關(guān)器件制造工藝之間固有的不兼容性而受到限制。
如今已經(jīng)涌現(xiàn)許多電路拓?fù)洌ㄈ善骷罢{(diào)制器與輸出級(jí)分離的多芯片方案。后者具有便于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。僅需要改變輸出級(jí)和電源(見(jiàn)圖1)，同樣的設(shè)計(jì)就可重用于不同輸出功率的放大器。
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圖1：該D類放大器拓?fù)渚哂屑傻恼{(diào)制器和分離的輸出級(jí)，只需改變電源和輸出級(jí)來(lái)滿足不同的功率輸出。
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以這樣的方式劃分系統(tǒng)，輸出級(jí)就可以采用適合于開(kāi)關(guān)器件的魯棒性強(qiáng)的高電壓技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而采用一般CMOS工藝來(lái)生產(chǎn)。諸如均衡、動(dòng)態(tài)壓縮或數(shù)字音量控制這樣的功能就可以更容易地與調(diào)制器集成在一起。
電源問(wèn)題及解決之道
D類放大器技術(shù)也引入了某些新問(wèn)題。D類放大器對(duì)于電源質(zhì)量更加敏感這個(gè)問(wèn)題經(jīng)常被忽略，與帶寬限制在音頻范圍的線性放大器不同，D類放大器輸出級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到數(shù)百千赫。
要精確地產(chǎn)生這樣高頻率的方波，電源必須能夠非常迅速地增大或減小電流而且不引起振鈴或輸出電壓降。這要求電容器能夠保持足夠的電荷以免浪涌電流造成電源電壓下降。因?yàn)槿魏渭纳娮杌螂姼卸紩?huì)阻止所儲(chǔ)存電荷的快速釋放，因而這些電容器的有效串聯(lián)電阻(ESR)應(yīng)該很低。
僅增加一個(gè)與傳統(tǒng)電解電容并聯(lián)的低ESR小電容到是不夠的。因?yàn)槿枯敵龉β室跇O短的脈沖中釋放，所有電容都必須是低有效串聯(lián)電阻的。電路板銅走線的寄生電阻和電感也是同樣有害的，應(yīng)該通過(guò)將電容器盡可能放置在接近輸出級(jí)的方法來(lái)減少這種寄生電阻和電感。
將晶體管布置在不同的輸出級(jí)以使開(kāi)關(guān)按順序動(dòng)作而非同時(shí)進(jìn)行，也可以降低對(duì)電源晶體管行為的要求。為達(dá)到此目標(biāo)，先進(jìn)的PWM調(diào)制器具有一個(gè)內(nèi)嵌的PWM移相功能，它在每個(gè)輸出通道的PWM信號(hào)間產(chǎn)生一個(gè)固定的延遲。
此時(shí)延僅占一個(gè)PWM周期的一小部分，短到無(wú)法對(duì)輸出帶來(lái)聽(tīng)覺(jué)上的差別，但卻能將開(kāi)關(guān)晶體管動(dòng)作在PWM周期上伸展(圖2)。該技術(shù)消除了因通道數(shù)量增加而產(chǎn)生的瞬間負(fù)載電流變化。
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圖2：2.1PWM通道的電源電流疊加在總電流上產(chǎn)生非常陡峭的上升沿(a)，經(jīng)PWM相移的電源電流疊加后，上升沿可得到伸展(b)。
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由于有效地采用電源作為電壓參考，許多D類放大器幾乎沒(méi)有電源抑制(PSR)。為避免來(lái)自主電源或信號(hào)調(diào)制而產(chǎn)生的音頻紋波，電源必須要調(diào)理。這種情況下，開(kāi)關(guān)電源是最好的選擇。
由于具有經(jīng)常工作在相當(dāng)高頻率范圍的內(nèi)置快速負(fù)載調(diào)節(jié)功能，這些電源不需要線性調(diào)壓器，因而有助于縮小存儲(chǔ)電容器的容量和體積。實(shí)質(zhì)上電容器僅僅需要在調(diào)壓器開(kāi)始工作前能夠儲(chǔ)存足夠的電荷，保持負(fù)載狀態(tài)下的電源電壓穩(wěn)定。另外，開(kāi)關(guān)電源比線性電源效率更高，進(jìn)一步減少了冷卻要求。
減少D類放大器的EMI
D類放大器另一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是輸出級(jí)電流快速切換而引起的EMI。減少EMI的最簡(jiǎn)單方法是使至輸出級(jí)的電路板走線或電線盡可能地短。如果完全可行，電源和輸出級(jí)應(yīng)該布置在同一快電路板上。
揚(yáng)聲器電線也向D類放大器提出了更多挑戰(zhàn)。在帶有內(nèi)置揚(yáng)聲器的系統(tǒng)中，較短的揚(yáng)聲器線纜是防止EMI的有效手段，而且也不會(huì)增加材料成本。但在使用外部揚(yáng)聲器的任何場(chǎng)合，揚(yáng)聲器的線纜長(zhǎng)度不受設(shè)計(jì)人員的控制，EMI濾波是絕對(duì)必要的。由于EMI頻譜相對(duì)而言接近音頻范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)EMI的充分抑制而不影響聲音質(zhì)量可能很困難。EMI主要由PWM開(kāi)關(guān)頻率及其諧波組成。
因此，設(shè)計(jì)師面臨一個(gè)困難的選擇。他們應(yīng)該選擇選擇一個(gè)抑制EMI但也會(huì)削弱高音的低通濾波器呢，還是應(yīng)該選擇一個(gè)以增加EMI的代價(jià)來(lái)保持平坦音頻響應(yīng)的高通濾波器(圖3)高階濾波器可以將不同的頻段隔離開(kāi)，但往往受到高品質(zhì)電感器成本較高的限制。
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圖3：選擇低的截止頻率會(huì)導(dǎo)致不希望出現(xiàn)的高音頻率衰減[1]。但更高的截止頻率會(huì)導(dǎo)致EMI衰減不夠[2]。高階濾波器表現(xiàn)更好卻太昂貴。
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在PWM調(diào)制器芯片增加一個(gè)揚(yáng)聲器數(shù)字均衡器為解決這個(gè)難題提供了一條出路。但節(jié)目中出現(xiàn)高音時(shí)，這個(gè)均衡器就會(huì)抵消基本低階低通濾波器對(duì)音頻信號(hào)的影響，在音頻范圍內(nèi)保持一個(gè)平坦的頻率響應(yīng)。對(duì)于具有不同阻抗的揚(yáng)聲器，可以使用不同的均衡器設(shè)置來(lái)匹配現(xiàn)有的濾波器設(shè)計(jì)，最大限度地復(fù)用設(shè)計(jì)。
其它技術(shù)
許多其它技術(shù)也有助于在給定的預(yù)算下提供一個(gè)出眾的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。使用一個(gè)低音揚(yáng)聲器或超重低音揚(yáng)聲器，其它揚(yáng)聲器就不需要重現(xiàn)整個(gè)頻段，這樣就它們可以更小、更便宜。
由于音頻頻譜的低端幾乎不帶有任何方向信息，因此不會(huì)削弱立體聲效果。另外，一個(gè)特制超重低音揚(yáng)聲器將更容易獲得多數(shù)消費(fèi)者喜愛(ài)的擴(kuò)展低音響應(yīng)。這些因素已經(jīng)推動(dòng)消費(fèi)市場(chǎng)從簡(jiǎn)單立體聲向“2.1聲道”(即立體聲加超重低音揚(yáng)聲器)轉(zhuǎn)移。
動(dòng)態(tài)波峰壓縮技術(shù)可以使音頻信號(hào)聽(tīng)上去更響而不需要求助于更大功率的輸出級(jí)。這一技術(shù)依賴于在大部分時(shí)間音頻信號(hào)的瞬時(shí)幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其高峰幅值這樣一個(gè)事實(shí)，采用在數(shù)字音頻頻域?qū)⒁纛l數(shù)據(jù)乘以放大系數(shù)的方法來(lái)放大音頻信號(hào)。
在信號(hào)高峰期間，當(dāng)此乘積接近于信號(hào)處理器所能處理的最大或最小值時(shí)，就采用臨時(shí)減小增益的方法來(lái)避免失真。在峰值衰減后，增益便恢復(fù)到原有水平。為避免在信號(hào)中產(chǎn)生階躍變化，所有增益必須在過(guò)零期間改變其大小。另外，增益還必須以定義明確的起始時(shí)間(attack time)和衰退時(shí)間漸進(jìn)而不是瞬時(shí)地變化。
不幸的是這陷入一個(gè)兩難境地。一方面由于要從放大器榨取更多的功率而希望衰減時(shí)間短，而另一方面必須保持信號(hào)周期一般長(zhǎng)。為最糟的情況下即最低頻低音所做的設(shè)計(jì)將導(dǎo)致一個(gè)過(guò)長(zhǎng)的衰減時(shí)間，而限制峰值壓縮技術(shù)的有效性。而設(shè)置一個(gè)過(guò)短的衰減時(shí)間將會(huì)引起低音失真。
最近上市的PWM調(diào)制器通過(guò)使峰值壓縮衰減時(shí)間與頻率相關(guān)而解決了這個(gè)問(wèn)題。這樣增益可以在高頻段快速上升，而在低音信號(hào)情況下可以上升得緩慢一些。
為解決D類放大器設(shè)計(jì)中存在的一般設(shè)計(jì)問(wèn)題，器件廠商不斷地提供了很多精巧的方案，現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就可以充分利用這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，減少其固有的缺點(diǎn)。通過(guò)將D類放大器的功率效率特性與可增強(qiáng)音頻體驗(yàn)質(zhì)量的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，如今設(shè)計(jì)師能夠?qū)⒁纛l放大器的性價(jià)比充分地提升到傳統(tǒng)線性技術(shù)所無(wú)法達(dá)到的水平。
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