適用消費(fèi)電子的三電平H橋輸出D類放大器
音頻功率放大器無所不在，有音樂響起的地方就會有音頻放大器的身影，一代代的電子工程師在這個(gè)領(lǐng)域辛勤耕耘撒播智慧。音頻放大器是要以一定的音量和功率在揚(yáng)聲器或耳機(jī)上真實(shí)、高效的重現(xiàn)聲音信號。真實(shí)和高效一直是功率放大器領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的源動力。音頻頻率范圍約為20Hz～20kHz，要求放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)；根據(jù)輸出功率不同，放大器可以被細(xì)分為不同的輸出功率規(guī)格，比如從幾百mW的耳機(jī)放大器到2W左右應(yīng)用于便攜設(shè)備的小功率放大器，再到10W、20W的家庭音響用中功率、大功率放大器。
AB類放大器是當(dāng)今最常用的音頻功率放大器。其不同于最早的A類或B類放大器的區(qū)別在于，AB類放大器采用互補(bǔ)輸出級，通過在輸出端加一定的偏置電流以防止交越失真，從而能夠在提升A類放大器效率的基礎(chǔ)上，提供良好的音質(zhì)。但它仍是一種線性放大器，輸出級晶體管工作在線性放大狀態(tài)，為負(fù)載提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流。輸出晶體管工作在線性狀態(tài)下，源極、漏極之間的壓降很大。輸出晶體管的瞬時(shí)功耗可表示為VDS× IDS，會有相當(dāng)多的能量將消耗在輸出晶體管上，轉(zhuǎn)化為熱量。即使最有效的AB類放大器，其效率通常也只在60~70%左右。
D類放大器采用一種全新的工作方式，其輸出級晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，輸出端在正電源和負(fù)電源之間切換產(chǎn)生一串電壓脈沖。當(dāng)輸出晶體管不導(dǎo)通時(shí)，輸出級不消耗任何電流。輸出級晶體管導(dǎo)通電阻通常在0.2Ω，因此導(dǎo)通時(shí)VDS很低，晶體管上的功耗（VDS×IDS）也很小。低功耗的開關(guān)工作方式使得D類放大器在許多應(yīng)用中優(yōu)勢顯著，如可以節(jié)省印制電路板上用于散熱的金屬面積，可以省去專用的散熱片，并能夠延長便攜式設(shè)備的電池使用時(shí)間。
D類放大器工作時(shí)，首先必須將輸入音頻信號調(diào)制成一串電壓脈沖。現(xiàn)今有很多方法將輸入音頻信號調(diào)制成電壓脈沖，最常用的技術(shù)是脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)。從原理上講，PWM調(diào)制是通過將輸入音頻信號與固定載波頻率的三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生一串和載波相同頻率的電壓脈沖。PWM脈沖的占空比正比于該載波周期內(nèi)音頻信號的幅度，占空比的變化即包含了輸入音頻信號的變化。由于載波頻率通常在音頻信號的10倍以上，從頻譜上分析，PWM調(diào)制在音頻范圍內(nèi)是無失真的。
通常D類放大器輸出端通過一個(gè)LC濾波器連接至揚(yáng)聲器上。LC濾波器用于濾除電壓脈沖信號中的高頻部分，重建音頻信號。我們知道，揚(yáng)聲器本身具有一定的頻響范圍，人耳基本上也不敏感音頻頻率范圍以外的信號，從這個(gè)角度來講，LC濾波器完全可以從D類放大器中刪去。讓我們看一下刪去LC濾波器后會發(fā)生什么情況。在沒有任何音頻輸入信號時(shí)，比較器會產(chǎn)生一串50%占空比的脈沖，該脈沖直接加在揚(yáng)聲器兩端，在揚(yáng)聲器內(nèi)部被濾波后重建至零輸入的直流狀態(tài)。這個(gè)過程會在揚(yáng)聲器的阻性負(fù)載上產(chǎn)生很大的功耗，降低了放大器的效率。
