D類(lèi)放大器與開(kāi)關(guān)模式電源的工作方式相似，其中輸出MOSFET可能是完全啟動(dòng)(飽和)或完全關(guān)閉(切斷)的。其效果在于減小晶體管的功耗，并增加放大器的效率。不幸的是，開(kāi)關(guān)時(shí)間和非交換時(shí)間中總會(huì)有損失(開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損失)。

　　出現(xiàn)開(kāi)關(guān)時(shí)間中的損耗是由于FET的上升時(shí)間和下降時(shí)間大于零。出現(xiàn)這種情況有幾個(gè)原因。第一，輸出晶體管不能瞬時(shí)交換。從漏極到源極的通道要求一段特定的形成時(shí)間。第二，晶體管柵源電容和寄生電阻的痕跡形成RC時(shí)間常量，也增加了上升和下降時(shí)間。

　　在非開(kāi)關(guān)時(shí)間中的功耗是由于每個(gè)FET 的RDS(ON) 和晶體管中的電流導(dǎo)致的。

　　但從總體而言，D類(lèi)放大器的損失是最小的，正是由于該器件的交換性質(zhì)，才使放大器實(shí)現(xiàn)了高得多的效率。其開(kāi)關(guān)技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，它可比較輸入模擬信號(hào)和高頻率三角波形(通常為250 kHz)，以生成輸出波形。該波形隨后驅(qū)動(dòng)MOSFET H橋。隨后形成的差動(dòng)波形是PWM方波信號(hào)，其占空比與音頻信號(hào)的振福成正比。來(lái)自H橋的信號(hào)通過(guò)輸出濾波器驅(qū)動(dòng)喇叭，或直接連接至喇叭(參見(jiàn)TI的TPA2000D和TPA3000D無(wú)濾波器系列產(chǎn)品)。圖3顯示了D類(lèi)輸出級(jí)就橋接式負(fù)載(BTL)配置而進(jìn)行的典型配置。

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　　圖 1：D類(lèi)放大器的典型配置

　　&n bsp; 調(diào)制方案在確定所需濾波器類(lèi)型方面發(fā)揮著重要的作用。例如，第一代TI 的D類(lèi)放大器要求LC濾波器。圖4顯示了第一種使用的調(diào)制方案類(lèi)型。在本方案中，當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，差動(dòng)PWM輸出信號(hào)的占空比為50%。這50% 的占空比不生成可以聽(tīng)到的聲音，因?yàn)槠骄ㄐ螢榱恪５牵鼤?huì)從喇叭吸收并使用大量電流，這會(huì)導(dǎo)致不必要的功耗。現(xiàn)在，隨著輸入電壓的增加，正極OUT+的占空也隨之增加，而負(fù)極OUT-的占空比則會(huì)減小。

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　　圖 2：傳統(tǒng)D類(lèi)調(diào)制的輸出電壓和電流波形

　　就該類(lèi)型的調(diào)制方案而言，應(yīng)當(dāng)實(shí)施二階Butterworth低通濾波器。如圖5所示，該濾波器采用了兩個(gè)電感和三個(gè)電容器作為典型的橋接式負(fù)載輸出。該濾波器主要作為電感，在電壓交換時(shí)使輸出電流保持一致，這減少了低狀態(tài)功耗或無(wú)輸入信號(hào)時(shí)的功耗。

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　　圖 3：典型的二階Butterworth濾波器設(shè)計(jì)

　　該濾波器的主要缺陷是其超大尺寸及外部器件成本。此類(lèi)調(diào)制方案無(wú)需濾波器即可使用而不影響保真度。由于揚(yáng)聲器既具電阻性又具電感性而且D類(lèi)開(kāi)關(guān)波形通過(guò)揚(yáng)聲器產(chǎn)生高電壓，所以效率上的增益將受到損失。從而導(dǎo)致較高的電源電流，也喪失了D類(lèi)帶來(lái)的效率優(yōu)勢(shì)。

　　輸出的較高電感產(chǎn)生較低的靜電電流(無(wú)輸入的電源電流)，因?yàn)槠湎拗屏溯敵黾y波電流的數(shù)量。L1 與 L2 感應(yīng)器以及 C1 電容器構(gòu)成差動(dòng)濾波器，每十進(jìn)即以40dB的斜率衰減信號(hào)。開(kāi)關(guān)電流主要通過(guò) C1、C2及C3，揚(yáng)聲器消耗的電流極少。

　　該濾波器還極大地減少了電磁干擾 (EMI)。EMI 是由電流瞬時(shí)變動(dòng)產(chǎn)生的磁 (H) 場(chǎng)或差動(dòng)電壓產(chǎn)生的電 (E) 場(chǎng)形成的。圖5中的濾波器包括共模及差動(dòng)濾波器，所以其不僅可減少了磁場(chǎng)還可減少電場(chǎng)。

　　在TI 新一代的 D 類(lèi)放大器 TPA2000D 以及 TPA3000D 產(chǎn)品系列中，調(diào)制方案經(jīng)過(guò)修改，只產(chǎn)生非常短的差動(dòng)功率脈沖，以避免無(wú)輸入信號(hào)時(shí)發(fā)生"擊穿"。就TPA2005D1 而言，這就使電源電流增加了不足3mA ，且負(fù)載在交換頻率上具有感應(yīng)性及電阻性。圖6 顯示了TI 的無(wú)濾波器 D 類(lèi)調(diào)制方案的輸出波形。

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　　圖 4：新一代D類(lèi)調(diào)制的輸出電壓和電流波形

　　該創(chuàng)新性調(diào)制方案不再需要二階Butterworth低通濾波器，從而極大減少了系統(tǒng)成本以及解決方案尺寸。EMI可能還是一個(gè)問(wèn)題，但實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示，與放大器輸出串聯(lián)的鐵氧體磁環(huán)及接地電容器實(shí)際上起到了共模濾波器的作用，因此也減小了電場(chǎng)，換言之也減小了振幅或MHz范圍的交換和聲(見(jiàn)圖7)。典型使用的電容以及鐵氧體磁環(huán)值分別為1 nF和100 W @ 100 MHz。這有利于必須通過(guò) FCC 和 CE 標(biāo)準(zhǔn)的電路，因?yàn)?FCC 和 CE 測(cè)試大于 30M HZ 的輻射量。

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　　圖 5：新一代D類(lèi)調(diào)制的輸出電壓和電流波形

　　通過(guò)使用上述調(diào)制方法，由于正負(fù)輸出信號(hào)是同相的，因此負(fù)載的差動(dòng)電壓在大多數(shù)開(kāi)關(guān)周期都均為零伏。這極大降低了交換電流，從而也就消除了負(fù)載中的功耗。

　　結(jié)論

　　高級(jí)D類(lèi)放大器的選擇范圍正在不斷擴(kuò)大，也使得各種消費(fèi)者終端設(shè)備(如平板顯示器、PDA、智能電話、移動(dòng)電話、汽車(chē)無(wú)線電等)的設(shè)計(jì)者能夠提高功率性能，同時(shí)保持甚至減小尺寸和降低成本。D類(lèi)放大器的時(shí)代使得設(shè)計(jì)人員能夠在各種產(chǎn)品中實(shí)施高性能音頻，給消費(fèi)者帶來(lái)較以往更"低熱"的體驗(yàn)。