d類放大器早在2023年就被人們提出，近年來，其應用越來越普及。d類放大器是什麼？它們與其它種類的放大器相比怎麼樣？
為什麼音訊應用鍾愛d類放大器？設計和應用一款優良的d類音訊放大器需要怎麼做？下面本文嘗試回答所有這些問題。
音訊放大器基礎
音訊放大器的目標是在產生聲音的輸出單元再生輸入的音訊訊號，要求輸出具有期望的音量和功率電平，再生過程忠實、有效且失真低，音訊的頻率範圍從20hz到20khz，所以，放大器必須在這個頻段具有良好的頻率響應(如果驅動帶限揚聲器，如重低音或高音揚聲器則較差)。功率效能隨應用的不同差異很大，從耳機的毫瓦級到電視或個人電腦的幾瓦級，乃至於微型家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦級，更為強大的家庭和商用音響系統則為幾百瓦級，為的是讓影院或禮堂充滿聲音。
音訊放大器的一種直接模擬實現方案是利用工作於線性模式的三極體來建立乙個輸出電壓，該電壓完全複製輸入電壓。正向電壓增益通常非常高(至少40db)。如果正向增益是反饋環路的一部分，整個環路增益也將很高。
常常採用反饋的原因在於高環路增益改善效能——壓縮因正向路徑的非線性產生的失真，並通過提高電源抑制比(psr)來降低電源雜訊。
d類放大器的優勢
在傳統的三極體放大器中，輸出級包含提供瞬時連續輸出電流的三極體。音訊系統有許多可能的實現方案，如a類、ab類和b類放大器，它們與d類放大器設計相比，甚至在最有效的線性輸出級，輸出級功耗也很大。這種差異讓d類放大器在許多應用中具有重要的優勢，因為較低的功耗產生較少的熱量，節省電路板空間和成本，並延長可攜式系統中的電池壽命。
線性放大器、d類放大器和功耗
線性放大器的輸出級被直接連線到揚聲器(在某些情況下通過電容)。如果在輸出級中採用了雙極結三極體(bjt)，它們通常工作**性模式，集-射極之間的電壓較大。輸出級也可能採用mos三極體來實現，如圖1所示。
圖1：cmos線性輸出級
功率被耗散在所有線性輸出級，因為生成vout的過程不可避免地在至少乙個輸出三極體上造成非零的ids和vds。功耗的大小高度依賴於輸出三極體所採用的偏置方法。
a類放大器的拓撲採用其中乙隻三極體作為直流電流源，從而為揚聲器提供所需要的最大音訊電流。採用a類輸出級有可能獲得良好的音質，但是，功耗過大，因為在輸出級的三極體中通常流過大的直流偏置電流(這是我們不希望的)，而這些電流卻沒有流過揚聲器(這是我們希望的)。
b類放大器拓撲消除了直流偏置電流且極大地降低了功耗，其輸出三極體以推拉方式分別受到控制，讓mh器件為揚聲器提供正向電流，而ml器件則吸收反向電流。這就降低了輸出級的功耗，只有訊號電流流過兩個三極體。b類電路的音質稍差，因為當輸出電流過零時存在非線性行為且三極體此時正好在導通和關閉兩個狀態之間轉換。
ab類放大器混合折衷了a類和b類放大器的優勢，採用了一定的直流偏置電流，但是，比純a類設計要小。小的直流偏置足以防止出現過零失真，從而獲得良好的音質。功耗儘管在a類和b類放大器之間，通常比較接近b類放大器。
為此，需要採取一些控制措施—類似於b類放大電路，以便讓ab類放大器提供或吸收大的輸出電流。
不幸的是，即使設計得非常好的ab類放大器也存在很大的功耗，因為其中等範圍的輸出電壓通常遠遠小於正電源軌或大於負電源軌。因此，大的漏-源電壓降會產生很大的ids - vds瞬時功耗。
由於採用不同的拓撲(圖2)，d類放大器比上述任何一類放大器的功耗都要小得多。其輸出級在正負電源之間切換，因此，產生一串電壓脈衝。這種波形對於降低功耗有好處，因為在不切換時輸出三極體的電流為零；而當導通電流時，vds較小，因此，給出的ids - vds更小。
圖2：d類開環放大器的方框圖
因為大多數音訊訊號不是脈衝串，所以，要採用調製器把音訊訊號轉換為脈衝。脈衝的頻率成分包括需要的音訊訊號和與調製過程有關的大量高頻能量。在輸出級和揚聲器之間通常要插入乙個低通濾波器以最小化電磁干擾，並避免以太多的高頻能量來驅動揚聲器。
要採用無損耗的濾波器(圖3)，以保持開關輸出級功耗低的優勢。濾波器通常採用電容和電感構成，揚聲器是唯一耗能的元件。
圖3：差分開關輸出級和lc低通濾波器
圖4給出了音訊輸出為正弦波訊號的情況下，a類、b類和d類放大器的理想輸出級功耗(pdiss)與傳遞到揚聲器上的功率(pload)的比較，其中d類放大器採用模擬器件公司的ad1994 d類放大器。功率的數值被歸一化為功率電平pload max，其中，正弦訊號被壓縮到足以引起10%的總諧波失真(thd)。垂直線表示開始壓縮時的pload。
圖4：a類、b類和d類放大器輸出級的功耗比較
由此可見，在寬的負載範圍內存在巨大的功耗差。在開始壓縮時，d類輸出級的功耗大約比b類的輸出級小2.5倍，而比a類小27倍。
注意：a類輸出級消耗的功率比傳遞給揚聲器的功率要更大——這是採用大的直流偏置電流的結果。
在壓縮開始時，a類放大器的eff = 25%；b類放大器的eff =78.5%；d類放大器的eff =90%(見圖5)。這些最佳情況的a類和b類放大器常常被教科書所引用。
圖5：a類、b類和d類放大器的效率比較
功耗和效率的差異在中等功率電平處加大。這一點對於音訊是重要的，因為長期平均高聲**的電平要比瞬時電平——接近pload max——低得多(小5到20倍，取決於**的型別)。因此，對於音訊放大器，[pload = 0.
1 - pload max]是合理的平均功率電平，在這一點可以評估pdiss。在該電平，d類輸出級的功耗比b類的功耗小9倍，比a類的小107倍。
對於具有10-w pload max的音訊放大器，1w的pload可以被認為是現實的聽音電平。在這個條件下，282 mw被消耗在d類的輸出級，而b類和a類的輸出級則分別要消耗2.53 w和30.
2 w。在這種情形下，d類的效率被從較高功率的90%減少到了78%。但是，即使78%也比b類和a類放大器分別28%和3%的效率要高得多。
這些差異對系統設計有重要的影響。對於1w以上的功率電平，線性輸出級的過多功耗需要很強的冷卻措施以避免無法接受的過熱，通常在放大器上要採用大塊金屬板作為散熱片或採用風扇吹空氣來帶走熱量。如果放大器以積體電路形式實現，那就需要採用大塊和昂貴的熱增強封裝以便於熱的傳遞。
這些考慮在諸如平板電視和汽車音響這樣的消費產品中是繁重的，這些產品的空間非常寶貴，市場上呈現向有限的空間中新增更多功能的趨勢。
對於小於1w的功率電平，解決浪費的功率問題比解決熱生成問題更為困難。如果採用電池供電，線性輸出級比d類放大器更快地耗盡電池。在上述的例項中，d類輸出級消耗的電源電流比b類小2.
8倍，比a類小23.6倍，因此，導致蜂窩**、pda和*****器之類產品的電池壽命差異很大。
為了簡化起見，迄今為止的分析都集中在放大器的輸出級。然而，如果考慮到放大器系統中的所有功耗源，在低輸出功率電平，線性放大器比d類放大器更好。原因在於：
在低電平生成和調製開關波形所需要的功率很大。因此，設計優良的ab類放大器的整個系統的靜態功耗能夠跟d類放大器媲美。然而，在較高的輸出功率範圍內，d類放大器的功耗毫無疑問是無與倫比的。
下一部分將**d類放大器的端接、差分和單端端接方法。
D類放大器的設計實驗報告
目錄設計任務與要求1 設計原理1 衝寬度調製 pwm 理論分析3 tda8920bth的結構框圖及引腳資訊5 設計方案7 安裝與除錯9 結束語9 成績評定表11 一 設計任務與要求 了解d類放大器概念及其設計原理和方法，對脈衝寬度調製 pwm 做出理論分析簡單掌握tda8920bth的結構和原理，並...
課設報告D類音訊放大器的設計
摘要 本文主要論述了d類音訊功率放大器的發展歷史和現狀，同時也介紹了d類音訊功率放大器的工作原理和設計原則，並重點介紹了tpa2000d2的工作原理和功能以及基與tpa2000d2設計的d類音訊功率放大電路。經實際測試 證明該放大器完全可滿足設計要求,高效率是d類音訊功率放大器所具有的最大優點。關鍵...
音訊功率放大器設計詳解
一 設計任務 設計乙個實用的音訊功率放大器。在輸入正弦波幅度 5mv，負載電阻等於8 的 條件下，音訊功率放大器滿足如下要求 1 最大輸出不失真功率pom 8w。2 功率放大器的頻頻寬度bw 50hz 15khz。3 在最大輸出功率下非線性失真係數 3 4 輸入阻抗ri 100k 5 具有音調控制功...