D類放大器原理詳解及應用設計指南(一)

　　圖4給出了音頻輸出為正弦波信號的情況下，A類、B類和D類放大器的理想輸出級功耗(P_DISS)與傳遞到揚聲器上的功率(P_LOAD)的比較，其中D類放大器采用模擬器件公司的AD1994 D類放大器。功率的數值被歸一化為功率電平P_LOAD max，其中，正弦信號被壓縮到足以引起10%的總諧波失真(THD)。垂直線表示開始壓縮時的P_LOAD。

　　　　　　　圖4：A類、B類和D類放大器輸出級的功耗比較

　　由此可見，在寬的負載范圍內存在巨大的功耗差。在開始壓縮時，D類輸出級的功耗大約比B類的輸出級小2.5倍，而比A類小27倍。注意：A類輸出級消耗的功率比傳遞給揚聲器的功率要更大——這是采用大的直流偏置電流的結果。

　　在壓縮開始時，A類放大器的Eff = 25%；B類放大器的Eff =78.5%；D類放大器的Eff =90%(見圖5)。這些最佳情況的A類和B類放大器常常被教科書所引用。

　　　　　　　　　圖5：A類、B類和D類放大器的效率比較

　　功耗和效率的差異在中等功率電平處加大。這一點對于音頻是重要的，因為長期平均高聲音樂的電平要比瞬時電平——接近P_LOAD max——低得多(小5到20倍，取決于音樂的類型)。因此，對于音頻放大器，[P_LOAD = 0.1 - P_LOAD max]是合理的平均功率電平，在這一點可以評估P_DISS。在該電平，D類輸出級的功耗比B類的功耗小9倍，比A類的小107倍。

　　對于具有10-W P_LOAD max的音頻放大器，1W的P_LOAD可以被認為是現實的聽音電平。在這個條件下，282 mW被消耗在D類的輸出級，而B類和A類的輸出級則分別要消耗2.53 W和30.2 W。在這種情形下，D類的效率被從較高功率的90%減少到了78%。但是，即使78%也比B類和A類放大器分別28%和3%的效率要高得多。

　　這些差異對系統設計有重要的影響。對于1W以上的功率電平，線性輸出級的過多功耗需要很強的冷卻措施以避免無法接受的過熱，通常在放大器上要采用大塊金屬板作為散熱片或采用風扇吹空氣來帶走熱量。如果放大器以集成電路形式實現，那就需要采用大塊和昂貴的熱增強封裝以便于熱的傳遞。這些考慮在諸如平板電視和汽車音響這樣的消費產品中是繁重的，這些產品的空間非常寶貴，市場上呈現向有限的空間中添加更多功能的趨勢。

　　對于小于1W的功率電平，解決浪費的功率問題比解決熱生成問題更為困難。如果采用電池供電，線性輸出級比D類放大器更快地耗盡電池。在上述的實例中，D類輸出級消耗的電源電流比B類小2.8倍，比A類小23.6倍，因此，導致蜂窩電話、PDA和MP3播放器之類產品的電池壽命差異很大。

　　為了簡化起見，迄今為止的分析都集中在放大器的輸出級。然而，如果考慮到放大器系統中的所有功耗源，在低輸出功率電平，線性放大器比D類放大器更好。原因在于：在低電平生成和調制開關波形所需要的功率很大。因此，設計優良的AB類放大器的整個系統的靜態功耗能夠跟D類放大器媲美。然而，在較高的輸出功率范圍內，D類放大器的功耗毫無疑問是無與倫比的。

下一部分將探討D類放大器的端接、差分和單端端接方法。