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ADI专家带你全面了解D类放大器那些事

D类放大器首次提出于1958年,近些年已逐渐流行起来。那么,什么是D类放大器?它们与其它类型的放大器相比如何?为什么D类放大器对于音频应用很有意义?设计一个优质”D类音频放大器需要考虑哪些因素? ADI D类放大器产品的特点是什么? ……小编整理一篇专家经典好文章,与大家一起梳理D类放大器哪些事儿。

音频放大器背景
音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。音频频率范围约为20 Hz20 kHz,因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应(当驱动频带有限的扬声器时频率范围减小,例如,低音扬声器或高音扬声器)。输出功率能力根据应用情况变化范围很宽,从数毫瓦(mW)的耳机,几瓦(W)的电视(TV)或个人计算机(PC)音频,几十瓦的迷你家庭音响和汽车音频,到几百瓦和几百瓦以上大功率的家用和商用音响系统,以及剧场或音乐厅音响系统。

一种音频放大器的直接模拟实现使用晶体管在线性工作方式下产生一个与输入电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高(至少40 dB)。如果正向增益是反馈环路的一部分,那么总的环路增益也会很高。经常使用反馈环路,因为高环路增益可以改善性能,抑制由于正向路径中线性误差造成的失真,并且通过增加电源抑制(PSR)减少电源噪声。

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。

Parents
  • 系统成本
    在使用D类放大器的音频系统中,有哪些重要因素影响其总体成本? 我们怎样才能将成本减至最低?

     

    D类放大器的有源器件是开关输出级和调制器。构成该电路的成本大致与模拟线性放大器相同。真正需要考虑的折衷是系统的其它元器件。

    D类放大器的低功耗节省了散热装置的成本(以及PCB面积),例如,散热片或风扇。D类集成电路放大器可采用比模拟线性放大器尺寸小和成本低的封装。当驱动数字音频源时,模拟线性放大器需要数模转换器(DAC)将音频信号转换为模拟信号。对于处理模拟输入的D类放大器也需如此转换,但对于数字输入的D类放大器有效地集成了DAC功能。

     

    另一方面,D类放大器的主要成本缺点是LC滤波器。LC滤波器的元器件,尤其是电感器,占用PCB面积并且增加成本。在大功率放大器中,D类放大器的总体系统成本仍具有竞争力,因为在散热装置节省的大量成本可以抵消LC滤波器的成本。但是在低成本、低功耗应用中,电感器的成本很高。在极个别情况下,例如,用于蜂窝电话的低成本放大器,放大器IC的成本可能比LC滤波器的总成本还要低。即使是忽略成本方面的考虑,LC滤波器占用的PCB面积也是小型应用中的一个问题。

     

    为了满足这些考虑,有时会完全取消LC滤波器,以采用无滤波放大器设计。这样可节省成本和PCB面积,虽然失去了低通滤波器的好处。如果没有滤波器,EMI和高频功耗的增加将会不可接受,除非扬声器采用电感式并且非常靠近放大器,电流环路面积最小,而且功率水平保持很低。尽管这种设计在便携式应用中经常采用,例如,蜂窝电话,但不适合大功率系统,例如,家庭音响。

     

    另一种方法是将每个音频通道所需要的LC滤波器元器件数减至最少。这可以通过使用单端半桥输出级实现,它需要的电感器和电容器数量是差分全桥电路的一半。但如果半桥输出级需要双极性电源,那么与产生负电源相关的成本可能就会过高,除非负电源已经有一些其它目的,或放大器有足够多的音频通道,以分摊负电源成本。另外,半桥也可从单电源供电,但这样会降低输出功率并且经常需要使用一个大的隔直流电容器。

Reply
  • 系统成本
    在使用D类放大器的音频系统中,有哪些重要因素影响其总体成本? 我们怎样才能将成本减至最低?

     

    D类放大器的有源器件是开关输出级和调制器。构成该电路的成本大致与模拟线性放大器相同。真正需要考虑的折衷是系统的其它元器件。

    D类放大器的低功耗节省了散热装置的成本(以及PCB面积),例如,散热片或风扇。D类集成电路放大器可采用比模拟线性放大器尺寸小和成本低的封装。当驱动数字音频源时,模拟线性放大器需要数模转换器(DAC)将音频信号转换为模拟信号。对于处理模拟输入的D类放大器也需如此转换,但对于数字输入的D类放大器有效地集成了DAC功能。

     

    另一方面,D类放大器的主要成本缺点是LC滤波器。LC滤波器的元器件,尤其是电感器,占用PCB面积并且增加成本。在大功率放大器中,D类放大器的总体系统成本仍具有竞争力,因为在散热装置节省的大量成本可以抵消LC滤波器的成本。但是在低成本、低功耗应用中,电感器的成本很高。在极个别情况下,例如,用于蜂窝电话的低成本放大器,放大器IC的成本可能比LC滤波器的总成本还要低。即使是忽略成本方面的考虑,LC滤波器占用的PCB面积也是小型应用中的一个问题。

     

    为了满足这些考虑,有时会完全取消LC滤波器,以采用无滤波放大器设计。这样可节省成本和PCB面积,虽然失去了低通滤波器的好处。如果没有滤波器,EMI和高频功耗的增加将会不可接受,除非扬声器采用电感式并且非常靠近放大器,电流环路面积最小,而且功率水平保持很低。尽管这种设计在便携式应用中经常采用,例如,蜂窝电话,但不适合大功率系统,例如,家庭音响。

     

    另一种方法是将每个音频通道所需要的LC滤波器元器件数减至最少。这可以通过使用单端半桥输出级实现,它需要的电感器和电容器数量是差分全桥电路的一半。但如果半桥输出级需要双极性电源,那么与产生负电源相关的成本可能就会过高,除非负电源已经有一些其它目的,或放大器有足够多的音频通道,以分摊负电源成本。另外,半桥也可从单电源供电,但这样会降低输出功率并且经常需要使用一个大的隔直流电容器。

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