D类放大器背后的奥秘

2009-02-06 18:25:12来源: Analog Devices Inc. 关键字:D类放大器

  音频放大器的用途是在发声输出元件上复现输入音频信号,提供所需要的音量和功率水平——保证复现的忠实性、高效率以及低失真度。在这一任务面前,D类放大器表现出多方面的优势。

  音频是指约20Hz到20kHz的频率范围,因此一个音频放大器在这个频段上必须具备出色的频率响应特性(在驱动频带有限的低音和高音扬声器时,频响特性较好的频率范围可更窄些)。功率能力方面的需求则变化很大,具体指标取决于应用要求,从头戴式耳机的mW级到TV或PC影响上的数W,再到“微型”家庭立体声音响、汽车音响,而最高者是功率更强的家用和用于剧场和礼堂的商用音响系统,其功率达到数百W甚至更高。

  音频放大器最直截了当的、模拟式的实现方式是让晶体管工作在线性模式下,让输出电压以一定比例随输入信号电压变化。前向的电压增益往往很高(至少40dB)。如果前向增益是反馈回路的一部分,则总的回路增益也将很高。电路中常常要采用反馈,因为很高的环路增益可以提供更高的性能——抑制前向通路的非线性所造成的失真,并通过提高电源抑制能力(PSR)来减小电源噪声。

  在常规的晶体管放大器中,输出级上的晶体管需要提供时刻连续的输出电流。音响系统可以采用的多种实现形式包括A类、AB类和B类。与D类放大器相比,这些电路中,即使是效率最高的线性输出级,其功率的耗散很大。这一差异反衬出,D类放大器在许多应用方面具有显著的优势,因为较小的功率耗散意味着更低的发热量、电路板空间及成本的节省和便携式系统的电池工作时间的延长。

  所有线性输出级都会出现功率的耗散,因为Vout的产生不可避免地造成至少一个输出晶体管上出现非零的IDS和VDS。功率耗散的量的大小在很大程度上取决于输出晶体管的偏置方法。

  A类架构将架构中的一个晶体管用作一个能提供扬声器所需的最大音频电流的DC电流源。A类输出级可以提供良好的音响品质,但由于输出级晶体管上往往流过很大的DC偏置电流(这是我们所不希望出现的),而这一电流无法提供给扬声器(这反而是我们所希望的),因此会产生过大的功率耗散。

  B类扬声器取消了DC偏置电流,所耗散的功率大大下降。其输出晶体管按照推-拉方式进行分别控制,这样,其中的一个器件向扬声器提供正向电流而另一个则吸纳负向电流。这减少了输出级的功率耗散,晶体管中只流过信号电流。然而,B类电路的音响质量较差,因为当输出电流过0点、晶体管在导通和关断状态间切换时,其工作在非线性状态(交越失真)。

  AB类输出电路是A类和B类电路之间的一种折中,它具有一定的DC偏置电流,但该电流远小于纯A类设计所用的电流。小的DC偏置电流足以防止交越失真,从而保证良好的音响质量。功率耗散虽然在A类和B类之间,但一般更接近B类。AB类电路必须采取某种类似于B类电路的控制机制,以便能够提供或者吸纳很大的输出电流,一种不同的拓扑结构——D类放大器的出现,是值得庆幸的事,它所消耗的功率远低于其他任何一种电路。其输出级在正、负电源之间来回切换,以便产生一个电压脉冲链。这一波形对于降低功率耗散来说是有利的,因为输出晶体管在不发生开关动作时电流为零,而在导通电流时其两端电压很低,因此IDS×VDS值更小。

  因为大多数音频信号并非脉冲链,因此,必须通过一个调制器来将音频输入变换为脉冲。这些脉冲的频率分量既包括所需要的音频信号,也包括调制过程引入的显著的高频能量。

  输出级和扬声器之间常常要放入一个低通滤波器,以便最大限度地降低电磁干扰(EMI),并避免驱动扬声器的高频能量过高。滤波器应该是无损耗的(或者接近无损耗的)以便保证开关输出级的低功率耗散的优势。该滤波器通常由电容和电感构成,唯一的一个有意引入的功率耗散元件就是扬声器本身。

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关键字:D类放大器

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2009/0206/article_1089.html
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