D类放大器&A/B类、AB类……你分清楚了吗?

D类放大器首次提出于1958年,但得益于数字音响技术的发展,使得它的很多优点都被展现出来,因而现在已经流行起来了。那么同其它类型的放大器相比,它有什么与众不同的地方呢?请往下看~

D类放大器的优点
在传统晶体管放大器中,输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器,AB类放大器和B类放大器。

与D类放大器设计相比较,即使是最有效的线性输出级,它们的输出级功耗也很大。这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势,因为低功耗产生热量较少,节省印制电路板(PCB)面积和成本,并且能够延长便携式系统的电池寿命。此外,它的能量转换效率高。体积相对来说也比较小,因此可靠性强。

A/B、AB类与D类放大器的较量

线性放大器输出级直接连接到扬声器(有些情况下通过电容器连接)。如果输出级使用双极性结型晶体管(BJT),它们通常工作在线性方式下,具有大的集射极电压。输出级也可以用互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管实现,如图1所示。

图1. CMOS线性输出级

功率消耗在所有线性输出级,因为产生输出电压VOUT的过程中不可避免地会在至少一个输出晶体管内造成非零的IDS和VDS。功耗大小主要取决于对输出晶体管的偏置方法。

A类放大器

A类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流(DC)电流源,能够提供扬声器需要的最大音频电流。它的输出级可以提供优良的音质,但由于输出级晶体管上往往流过很大的DC偏置电流且无法使用,因此会产生过大的功耗耗散。

B类放大器

B类放大器拓扑结构没有DC偏置电流,所以功耗大大减少。其输出晶体管是以推拉方式独立控制,从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流,而低端晶体管吸收负电流。由于只有信号电流流过晶体管,因而减少了输出级功耗。但是B类放大器电路的音质较差,因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差(交越失真)。

AB类放大器

AB类放大器是A类放大器和B类放大器的组合折衷,它也使用DC偏置电流,但它远小于单纯的A类放大器。小的DC偏置电流足以防止交越失真,从而能提供良好的音质。其功耗介于A类放大器和B类放大器之间,但通常更接近于B类放大器。与B类放大器电路类似,AB类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。

不幸的是,即使是精心设计AB类放大器也有很大的功耗,因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。由于漏源极之间的电压降很大,所以会产生很大的瞬时功耗LDS×VDS。

D类放大器

D类放大器由于具有不同的拓扑结构(见图2),其功耗远小于上面任何一类放大器。D类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲。这种波形有利于降低功耗,因为当输出晶体管在不导通时具有零电流,并且在导通时具有很低的VDS,因而产生较小的功耗LDS×VDS。

图2. D类开环放大器框图

D类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲。这种波形有利于降低功耗,因为当输出晶体管在不导通时具有零电流,并且在导通时具有很低的VDS,因而产生较小的功耗LDS×VDS。

由于大多数音频信号不是脉冲串,因此必须包括一个调制器将音频输入转换为脉冲信号。脉冲的频率成分包括需要的音频信号和与调制过程相关的重要的高频能量。经常在输出级和扬声器之间插入一个低通滤波器以将电磁干扰(EMI)减至最小,并且避免以太多的高频能量驱动扬声器。为了保持开关输出级的功耗优点,要求该滤波器(见图3)是无损的(或接近于无损)。低通滤波器通常采用电容器和电感器,只有扬声器是耗能元件。

图3. 差分开关输出级和LC低通滤波器

图4是A类放大器和B类放大器输出级功耗(PDISS)的理想值与 AD1994 D类放大器输出级功耗的测量值的比较。图中的曲线是指给定的音频正弦波信号的输出级功率与扬声器提供的负载功率(PLOAD)之间的关系。其中负载功率相对最大负载(PLOAD max)功率水平归一化,箝位的正弦波信号保证10%总谐波失真(THD)。图中的垂直线表示PLOAD开始箝位的位置。

图4. A类、B类放大器和D类放大器输出级的功耗比较

可以看出,对于多种负载其功耗明显不同,尤其是在高端和中端值负载条件下。在箝位开始之初,D类放大器输出级的功耗约是B类放大器的1/2.5,是A类放大器的1/27。应当注意,消耗在A类放大器输出级的功率比传递到扬声器的功耗大,这是使用大的DC偏置电流的结果。

功耗和功率效率的差异在中等功率水平处很大。这对于音频很重要,因为大音量音乐的长期平均功率水平要比达到PLOAD max的瞬时峰值水平低很多(为其1/5到1/20,取决于音乐类型)。因而,对于音频放大器,[PLOAD = 0.1×PLOAD max] 是一个合理的平均功率水平,按照这个功率水平评估PDISS。在这个功率水平,D类放大器输出级的功耗是B类放大器的1/9,是A类放大器的1/107。

对于10 W PLOAD max的音频放大器,1 W的平均PLOAD认为是保真音频功率水平。在这种条件下,D类放大器输出级内部功耗为282 mW,对于B类放大器为2.53 W,对于A类放大器为30.2 W。在这种情况下,D类放大器的效率从高功率条件下的90%减少到78%。但即使是78%也要远优于B类放大器和A类放大器,它们的效率分别为28%和3%。

对于1 W以上的功率水平,线性输出级的过大的功耗要求采用有效的散热方法以避免不可接受的发热,通常是使用大金属板作为散热板,或用风扇促进放大器空气散热。如果放大器是集成电路(IC),就可能需要大尺寸、高成本的增强散热封装以促进热传导。这些考虑在消费类产品中很麻烦,例如平板电视,其印制电路板面积(PCB)面积很宝贵,或汽车音响,其发展趋势是在固定空间内增加通道数。


对于1 W以下的功率水平,处理浪费的功率可能比处理散热还困难。如果是电池供电,线性放大器输出级消耗电池电荷要比D类放大器快。在上面的例子中,D类放大器输出级耗费的电源电流是B类放大器的1/2.8,是A类放大器的1/23.6,因此它们用于蜂窝电话,PDA和MP3播放器等产品在电池的寿命方面有很大差别。

迄今为止,为了简单起见,只是专门注重放大器输出级的分析。但是当考虑放大器系统中所有功耗时,线性放大器要比低输出功率D类放大器更有利,原因是在低功率水平条件下,产生和调制开关波形所需要的功率会很大。

精心设计的低中功率的AB类放大器的宽系统静态功耗优势使得它们可与D类放大器相竞争。不过对于考虑宽的输出功率范围,毫无疑问D类放大器具有低功耗优势。学完本文,大家对各类放大器是否已经了然于胸了呢?当然,若有不对之处,欢迎大家补充噢~

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