【導(dǎo)讀】D類音頻放大器近年來(lái)越來(lái)越出名。本文將介紹 D 類音頻放大器的內(nèi)容、原因和方法。本文還將介紹音頻放大器的背景以及 D 類放大器的優(yōu)點(diǎn)以及與其他放大器的一些比較。
D類音頻放大器近年來(lái)越來(lái)越出名。本文將介紹 D 類音頻放大器的內(nèi)容、原因和方法。本文還將介紹音頻放大器的背景以及 D 類放大器的優(yōu)點(diǎn)以及與其他放大器的一些比較。
D 類放大器于 1958 年首次提出，近年來(lái)變得越來(lái)越流行。什么是 D 類放大器？它們與其他類型的放大器相比如何？為什么 D 類對(duì)音頻感興趣？制作一個(gè)“好的”音頻 D 類放大器需要什么？ADI 的 D 類放大器產(chǎn)品有哪些特點(diǎn)？
音頻放大器背景
音頻放大器的目標(biāo)是在發(fā)聲輸出元件處以所需的音量和功率水平忠實(shí)、高效且低失真地再現(xiàn)輸入音頻信號(hào)。音頻頻率范圍約為 20 Hz 至 20 kHz，因此放大器必須在此范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)（驅(qū)動(dòng)頻帶受限揚(yáng)聲器（例如低音揚(yáng)聲器或高音揚(yáng)聲器）時(shí)頻率響應(yīng)會(huì)較低）。功率能力根據(jù)應(yīng)用的不同而有很大差異，從耳機(jī)中的毫瓦，到電視或電腦音頻中的幾瓦，到“迷你”家庭立體聲和汽車音頻的數(shù)十瓦，到更強(qiáng)大的家庭和商業(yè)的數(shù)百瓦甚至更高音響系統(tǒng)——讓劇院或禮堂充滿聲音。
音頻放大器的簡(jiǎn)單模擬實(shí)現(xiàn)使用線性模式的晶體管來(lái)創(chuàng)建輸出電壓，該輸出電壓是輸入電壓的縮放副本。正向電壓增益通常很高（至少 40 dB）。如果前向增益是反饋環(huán)路的一部分，則整體環(huán)路增益也會(huì)很高。經(jīng)常使用反饋是因?yàn)楦攮h(huán)路增益可以提高性能——抑制正向路徑中非線性引起的失真，并通過(guò)提高電源抑制 (PSR) 來(lái)降低電源噪聲。
D 類放大器的優(yōu)勢(shì)
在傳統(tǒng)的晶體管放大器中，輸出級(jí)包含提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的晶體管。音頻系統(tǒng)的許多可能實(shí)現(xiàn)包括 A 類、AB 類和 B 類。與 D 類設(shè)計(jì)相比，即使在效的線性輸出級(jí)中，輸出級(jí)功耗也很大。這種差異使 D 類在許多應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檩^低的功耗產(chǎn)生的熱量較少，節(jié)省了電路板空間和成本，并延長(zhǎng)了便攜式系統(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（在某些情況下通過(guò)電容器）。如果在輸出級(jí)使用雙極結(jié)型晶體管（BJT），它們通常工作在線性模式，具有較大的集電極-發(fā)射極電壓。輸出級(jí)也可以使用 MOS 晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖 1 所示。
所有線性輸出級(jí)都會(huì)消耗功率，因?yàn)??生成 VOUT 的過(guò)程不可避免地會(huì)導(dǎo)致至少一個(gè)輸出晶體管出現(xiàn)非零 IDS 和 VDS。功耗量很大程度上取決于用于偏置輸出晶體管的方法。
A 類拓?fù)涫褂闷渲幸粋€(gè)晶體管作為直流電流源，能夠提供揚(yáng)聲器所需的音頻電流。A 類輸出級(jí)可以提供良好的音質(zhì)，但功耗過(guò)大，因?yàn)榇蟮闹绷髌秒娏魍ǔ?huì)流過(guò)輸出級(jí)晶體管（我們不希望有這種電流），而不會(huì)傳遞到揚(yáng)聲器（我們需要這種電流）。想要它）。
B 類拓?fù)湎酥绷髌秒娏鞑@著減少了功耗。其輸出晶體管以推挽方式單獨(dú)控制，允許 MH 器件向揚(yáng)聲器提供正電流，而 ML 吸收負(fù)電流。這減少了輸出級(jí)功耗，僅信號(hào)電流通過(guò)晶體管傳導(dǎo)。然而，B 類電路的音質(zhì)較差，因?yàn)楫?dāng)輸出電流通過(guò) 0 且晶體管在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)非線性行為（交越失真）。
AB 類是 A 類和 B 類的混合折衷方案，使用一些直流偏置電流，但比純 A 類設(shè)計(jì)要少得多。小直流偏置電流足以防止交叉失真，從而實(shí)現(xiàn)良好的音質(zhì)。功耗雖然介于 A 類和 B 類限制之間，但通常更接近 B 類。需要進(jìn)行一些類似于 B 類電路的控制，以允許 AB 類電路提供或吸收大輸出電流。
不幸的是，即使是設(shè)計(jì)良好的 AB 類放大器也具有顯著的功耗，因?yàn)槠渲蓄l輸出電壓通常遠(yuǎn)離正電源軌或負(fù)電源軌。因此，大的漏源電壓降會(huì)產(chǎn)生顯著的 IDS X VDS 瞬時(shí)功耗。
對(duì)于低于 1 W 的功率水平，浪費(fèi)功率可能比產(chǎn)生熱量更困難。如果由電池供電，線性輸出級(jí)會(huì)比 D 類設(shè)計(jì)更快地耗盡電池電量。在上面的示例中，D 類輸出級(jí)消耗的電源電流比 B 類低 2.8 倍，比 A 類低 23.6 倍，從而導(dǎo)致手機(jī)、PDA 和 MP3 播放器等產(chǎn)品中使用的電池壽命存在很大差異。
為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，迄今為止的分析僅集中于放大器輸出級(jí)。然而，當(dāng)考慮放大器系統(tǒng)中的所有功耗源時(shí)，線性放大器在低輸出功率水平下比 D 類放大器更有優(yōu)勢(shì)。原因是生成和調(diào)制開(kāi)關(guān)波形所需的功率在低電平時(shí)可能很大。因此，精心設(shè)計(jì)的中低功率 AB 類放大器的系統(tǒng)范圍靜態(tài)功耗可以使其與 D 類放大器競(jìng)爭(zhēng)。不過(guò)，對(duì)于更高的輸出功率范圍，D 類功耗無(wú)疑更優(yōu)越。
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