D类放大器的基本工作原理和近期发展

　　摘要：D类放大器的高效特性，使其成为便携式和大功率应用的理想选择。传统的D类放大器需要一个外部低通滤波器，以从脉宽调制信号(PWM)输出波形中提取音频信号。然而，许多现代D类放大器采用先进的调制技术，可使各种应用免去外部滤波器并降低电磁干扰(EMI)。省掉外部滤波器不仅降低了电路板的空间要求，同时也大幅降低了很多便携式/紧凑型应用的成本。

　　引言

　　大多数音频系统设计工程师都非常清楚，D类放大器与线性音频放大器(如A类、B类和AB类)相比，在功效上有相当的优势。对于线性放大器(如AB类)来说，偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。因为D类放大器的晶体管只是作为开关使用的，用来控制流过负载的电流方向，所以输出级的功耗极低。D类放大器的功耗主要来自输出晶体管导通阻抗、开关损耗和静态电流开销。放大器的功耗主要以热量的形式耗散。D类放大器对散热器的要求大为降低，甚至可省掉散热器，因此非常适用于紧凑型大功率应用。

　　过去，基于PWM方式的典型D类放大器需要外部滤波元件，会产生EMI/EMC兼容性问题，并且THD+N性能较差，因此与线性放大器相比，它的高效优势大为失色。然而，一代的D类放大器采用先进的调制和反馈技术，可很好地缓解上述问题。

　　D类放大器基础

　　现代D类放大器使用多种调制器拓扑结构，而基本的拓扑组合了脉宽调制(PWM)以及三角波(或锯齿波)振荡器。图1给出一个基于PWM的半桥式D类放大器简化框图。它包括一个脉宽调制器，两个输出MOSFET，和一个用于恢复被放大的音频信号的外部低通滤波器(LF和CF)。如图所示，p沟道和n沟道MOSFET用作电流导向开关，将其输出节点交替连接至VDD和地。由于输出晶体管使输出端在VDD或地之间切换，所以D类放大器的终输出是一个高频方波。大多数D类放大器的开关频率(fSW)通常在250kHz至1.5MHz之间。音频输入信号对输出方波进行脉宽调制。音频输入信号与内部振荡器产生的三角波(或锯齿波)进行比较，可得到PWM信号。这种调制方式通常被称作"自然采样"，其中三角波振荡器作为采样时钟。方波的占空比与输入信号电平成正比。没有输入信号时，输出波形的占空比为50%。图2显示了不同输入信号电平下所产生的PWM输出波形。

　　图1. 该简化功能框图展示了一个基本的半桥式D类放大器的结构。

　　图2. 输出信号脉宽与输入信号幅值成正比。

　　为了从PWM波形中提取出放大后的音频信号，需将D类放大器的输出送入一个低通滤波器。图1中的LC低通滤波器作为无源积分器(假设滤波器的截止频率比输出级的开关频率至少低一个数量级)，它的输出等于方波的平均值。

　　点此全文PDF资料：