作者：茅于海，龙鼎微电子首席科学家
音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。
进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的。都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。
高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。D类放大器在这些设备中也扮演了极重要的角。
现在就让我们来看一下D类放大器的基本原理和特点。
一、D类放大器的工作原理
可能读者都早就熟悉了A类、B类、AB类和C类放大器，其实所有这些放大器的区别只是在于静态工作点的选择。A类放大器具有最大的静态工作电流，也就是它在没有输入信号的时候也会消耗电流，因而显然它的效率是最低的。但是，只要选择合适的工作点，它通常具有最低的失真。B类放大器则选择了50%的导通时间，它的效率肯定比A类放大器要高，但是失真也要严重很多。AB类放大器则是介于A类和B类之间。它的导通时间也是介于50%到100%之间。C类放大器是指那些导通时间小于50%的放大器，通常用于负载为调谐回路的射频放大器中。 D类放大器是一种完全不同的放大器，其实称之为D类放大器似乎并不恰当。因为它并不只是放大器工作点的选择。所以也有人称之为“数字音频放大器”。似乎这个名称更为恰当。因为有一种D类放大器可以接收数字输入而省去D/A变换。
D类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术PWM(Pulse Width Modulation)。所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。为什么要这样做呢？因为这时候，要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放放大就可以了。而原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的
宽度之中。只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。在没有信号的时候，输入信号就是
对称方波。所以如果在放大的时候，幅度上产生失真并不会使原来的音频信号产生失真。在这种情况下的放大器就可以完全工作在开关状态。在开关工作状态，晶体管的效率是很高的。因为在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小(由其饱和电阻决定)，而在截止的时候，加在晶体管的电压很高，但是流过晶体管的电流很小(只是其漏电流而已)。同时还可以使晶体管在没有音频信号时完全工作在截止状态，这样其效率就更高。这种脉宽调制可以用一个等幅三角波来对音频信号进行采样。为了避免失真这个三角波的频率必须远高于音频信号的最高频率分量。它的原理可以用图1来说明。 图1：脉宽调制(PWM)的原理图
通常为了不失真地放大最高频率分量为20KHz的音频信号，其三角波的重复频率最好在
250KHz以上。以减小对于输出滤波的要求。
玻璃微电极当这个等幅矩形波的幅度被放大以后，还要还原成原来的音频信号，这只要用一个低通滤波器滤掉不需要的高频分量就可以了。这个过程可以用图2来说明。
图中表明了一个1KHz的正弦波音频信号，经过三角波采样以后的输出频谱，其中包含有很多高频分量。在PWM的输出后面再加上一个低通滤波器，就可以滤去矩形波的高频分量，而滤波以后留下的就是有用的音频信号了。
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图2：原始信号和PWM输出信号以及经过低通滤波器以后的信号频谱
银钟花同时，过程中的非线性也会使原来的正弦波产生高次谐波，这也会引起了所谓的总谐波失真THD(Total Harmonic Distortion)。在推挽或平衡放大器中，通常没有偶次谐波，所以在这种电路中，高次谐波中以三次谐波的分量为最大。
二、D类放大器的结构
这种D类放大器的基本原理图如图3所示。
图3：D类放大器的原理图
最简单的PWM就是一个比较器，它的一端输入原始要放大的信号，另一端就输入一个高频三角波。在
这个比较器的输出就是一个脉宽被调制的矩形波。这个矩形波就直接加到一对互补晶体管进行放大。然后它的输出就加到一个由L1、C1和R1、C2所构成的低通滤波器。实际上动圈式扬声器的动圈也是一个电感，它本身也有一定的低通作用。
图3中的三角波可以采用如图4的电路来产生。
图4：三角波发生器
它实际上是一个积分器连接到一个比较器，后者相当于一个施密特(Schmidt)触发器。比较器的输出驱动这个积分器。比较器输出的电压为＋V1和－V1。当输出电压为－V1时，三角波以m=V1/R6C4的斜率增长。假定三角波的峰值幅度为从＋VTP到－VTP。再假定三角波的周期为T＝1/fT。那么2VTP＝mT/2=V1/2fTR6C4。比较器在其非倒相输入端的电压达到0时，切换其状态。这发生于V1/R8=VTP/R7。所以，三角波的频率就等于
fT=R8/4R6R7C4，VTP＝V1R7/R8
根据所要求的三角波频率就可以选择适当的元件值了。 为了降低失真，在D类放大器中也经常采用负反馈。图5就是一个最简单的加了负反馈的D类放大器。
图5：加了负反馈的D类放大器
此外，为了增加D类放大器的输出功率，D类放大器也经常采用桥式输出。其原理图如图6所示。
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图6：桥式输出的D类放大器
为了给这种桥式连接的D类放大器供电，其输入级可以采用如图7的结构。
图7：桥式结构的D类放大器的输入级
这种桥式D类放大器可以用增加晶体管数量的方法，而不是采用提高电源电压的方法就可以提高输出功率。所以在大功率D类放大器中经常采用。
有时候大功率的D类放大器的末级并不和驱动级集成在一起，而是采用离散的大功率晶体管。这样一方面可以减少大功率器件和普通的CMOS驱动器件集成时在工艺上的复杂性；另一方面也可以增加在选择末级大功率器件时的灵活性。但是必须考虑这些晶体管的一致性。
末级晶体管的不一致可能会引起严重的问题，例如假如上下两个晶体管不能同时一个导通一个截止，而是两个同时处于导通状态。那就很容易造成电源的短路。为了避免发生这种情况，通常采用导通的死区时间设定。也就是在导通脉冲来到时晶体管并不马上导通，而是有一定的延时，然后才导通。这段延时时间，称为死区。采用死区以后，虽然可以避免上下两个管子同时导通，但是也会造成信号的失真。
三、D类放大器的效率
和通常采用的AB类放大器相比，D类放大器有很高的效率。而且，D类放大器可以在很小的输出功率时就可以达到很高的效率，或者说D类放大器的效率是和输入信号的大小无关，而不像在AB类放大器中只有在很高的输出功率时才能达到比较高的效率。
D类放大器之所以能够获得很高的效率，是因为它的输出级完全工作于开关状态。对于理想的开关，它的效率可以达到100%。但是由于晶体管并不是一个理想的开关，所以在截止时电阻并不是无限大，而在导通时其电阻也不等于0。由于其负载扬声器的电阻很低，晶体管的漏电流又很小，所以在截止时晶体管的损耗可以忽略不计。因而只要考虑在晶体管导通时的损耗。
这时D类放大器的效率实际上是由晶体管导通时的内阻和负载电阻的比值有关。假定负载电阻为RL，
而晶体管导通时的内阻为Ron，那么D类放大器的效率就可以用下式表示：
滤纸片法
E＝RL/(2Ron + RL)
玻璃纤维膨体纱如果负载电阻为4 欧姆，晶体管的导通电阻为0.1欧姆，那么D类放大器的效率为95%。如果晶体管的电阻变成0.3 欧姆，那么效率就降低为87%。所以晶体管的饱和电阻对于D类放大器的效率起着重要的作用。对于大功率的D类放大器就必须仔细设计或挑选末级功率晶体管。而晶体管的饱和电阻也和芯片的温度有关。当芯片的温度从25度增加到125度时，它的饱和电阻就会增加一倍。在末级放大器中通常采用开关型N沟FET大功率晶体管。
除了晶体管的导通电阻外，还有偏置电流、输入电容充电、和切换电流都会消耗功率。所以D类放大器的效率还应该把这些损耗都计算在内。
E＝Pout/(Pout +Pd1 + Pd2 + Pd3 + … )
它的开关损耗由开关所需的能耗和开关频率的乘积决定。
另一个问题是输出晶体管之间开关特性的匹配。例如，如果一个NMOS器件的开启比其对应PMOS的关闭快的多，两种器件的"通"时期就可能在信号边缘出现短时间的重叠。在两种器件都导通的情况下，供电电源本质上是短路的，导致功率效率降低，热耗散增加，并且可能降低供电电压，这将使音频信号失真。
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