D類音頻放大器設(shè)計(jì)：概念、原理和方法（上）
D類放大器首次提出于1958年,近些年已逐漸流行起來(lái)。那么,什么是D類放大器?它們與其它類型的放大器相比如何? 為什么D類放大器對(duì)于音頻應(yīng)用很有意義?設(shè)計(jì)一個(gè)“優(yōu)質(zhì)”D類音頻放大器需要考慮哪些因素? 美國(guó)模擬器件公司(簡(jiǎn)稱ADI公司)D類放大器產(chǎn)品的特點(diǎn)是什么? 本文中試圖回答上述所有問(wèn)題。
D類放大器的優(yōu)點(diǎn)
在傳統(tǒng)晶體管放大器中,輸出級(jí)包含提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的晶體管。實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型包括A類放大器,AB類放大器和B類放大器。與D類放大器設(shè)計(jì)相比較,即使是最有效的線性輸出級(jí),它們的輸出級(jí)功耗也很大。這種差別使得D類放大器在許多應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì),因?yàn)榈凸漠a(chǎn)生熱量較少,節(jié)省印制電路板(PCB)面積和成本,并且能夠延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。
線性放大器、D類放大器和功耗
線性放大器輸出級(jí)直接連接到揚(yáng)聲器(有些情況下通過(guò)電容器連接)。如果輸出級(jí)使用雙極結(jié)晶體管(BJT),它們通常工作在線性方式下,具有大的集射極電壓。輸出級(jí)也可以用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管實(shí)現(xiàn),如圖1所示。
圖1 CMOS線性輸出級(jí)
功率消耗在所有線性輸出級(jí),因?yàn)楫a(chǎn)生輸出電壓VOUT的過(guò)程中不可避免地會(huì)在至少一個(gè)輸出晶體管內(nèi)造成非零的IDS和VDS。功耗大小主要取決于對(duì)輸出晶體管的偏置方法。
A類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用一只晶體管作為直流(DC)電流源,能夠提供揚(yáng)聲器需要的最大音頻電流。A類放大器輸出級(jí)可以提供優(yōu)良的音質(zhì),但功耗非常大,因?yàn)橥ǔＳ泻艽蟮腄C偏置電流流過(guò)輸出級(jí)晶體管(這是我們不期望的),而沒(méi)有提供給揚(yáng)聲器(這是我們期望的)。
B類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有DC偏置電流,所以功耗大大減少。其輸出晶體管是以推拉方式獨(dú)立控制,從而允許高端晶體管為揚(yáng)聲器提供正電流,而低端晶體管吸收負(fù)電流。由于只有信號(hào)電流流過(guò)晶體管,因而減少了輸出級(jí)功耗。但是B類放大器電路的音質(zhì)較差,因?yàn)楫?dāng)輸出電流過(guò)零點(diǎn)和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時(shí)會(huì)造成線性誤差(交越失真)。
AB類放大器是A類放大器和B類放大器的組合折衷,它也使用DC偏置電流,但它遠(yuǎn)小于單純的A類放大器。小的DC偏置電流足以防止交越失真,從而能提供良好的音質(zhì)。其功耗介于A類放大器和B類放大器之間,但通常更接近于B類放大器。與B類放大器電路類似,AB類放大器也需要一些控制電路以使其提供或吸收大的輸出電流。
遺憾的是,即使是精心設(shè)計(jì)AB類放大器也有很大的功耗,因?yàn)槠渲械确秶妮敵鲭妷和ǔ＿h(yuǎn)離正電源或負(fù)電源。由于漏源極之間的電壓降很大,所以會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)功耗IDS×VDS。
D類放大器由于具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2),其功耗遠(yuǎn)小于上面任何一類放大器。D類放大器的輸出級(jí)在正電源和負(fù)電源之間切換從而產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗,因?yàn)楫?dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時(shí)具有零電流,并且在導(dǎo)通時(shí)具有很低的VDS,因而產(chǎn)生較小的功耗IDS×VDS。
