在多通道和數字音源時代，采用D類放大器以簡化前級線路、提高功放效率從而降低對電源及散熱的要求，這已是大勢所趨。但D類功放雖然也被稱作數字化功放，但在電路設計上絕不像純粹的數字電路那么簡單，也不是直接采用一兩塊芯片就可以大功告成的。以數字手段實現模擬功能，仍然需要考慮許多模擬方面的因素，但考慮的因素和角度與傳統的線性功放又有很大差異。本文除了介紹D類放大器的基本原理和好處之外，還著重講解了輸出級設計、功放管選擇、電源、電磁兼容，以及電路板布局方面需要注意的一些問題，這些實用知識有助于設計師減少走彎路的麻煩。

　　D類放大的好處

　　憑借諸如極佳的功率效率、較小的熱量以及較輕的供電電源等優點，D類放大器正在音頻世界掀起風暴，這一點兒也不令人驚奇。的確，隨著技術的成熟以及其所達到越來越好的聲音重現效果，看起來繼續使用D類放大器向市場滲透是一個頗有把握的賭注，以往在這個市場上只有傳統的線性(A類、B類或AB類)功率放大器能夠提供令人滿意的性能。

　　環繞聲格式的不斷進步加速了這種趨勢。由于越來越多的家庭和車內娛樂系統、DVD播放器以及AV接收機需要驅動六個或更多的揚聲器，線性放大器及其電源的尺

　　寸增大了，并且產生了更多的熱量。例如，Dolby Digital(杜比數字)格式要求六個獨立的輸出級，而更新推出的Dolby Digital EX要求更多的8聲道。鑒于此，D類放大技術的優勢顯得比以往更加突出。

　　輸出級數模轉換機制

　　所有D類系統的共同特點及其超群的功率效率的奧秘就在于輸出級(通常是MOSFET)的電源器件總是要么全通要么全關。這與線性放大器形成對比，線性放大器輸出晶體管的導通狀態隨時間變化。晶體管消耗的功率是其壓降與流過電流之積(P=IV)，通常占到線性放大器消耗的總功率的50%或更多。在D類系統中不是這樣。由于所有輸出晶體管要么壓降為零(處于“通”狀態)要么流過的電流為零(處于“關”狀態)，理論上根本不會損失能量。回到現實世界中，安裝在數以百萬計的微處理器之上的冷卻風扇表明即使是純數字系統也會以發熱的形式浪費能量，D類放大器達到的功率效率在85至90%之間。

　　不過，如何使一個天生只能產生方波的開關器件再現音樂中多種多樣的波形呢?某些類型的高頻“數字”信號可以通過低通濾波產生平滑的“模擬”輸出。最廣泛使用的就是脈寬調制(PWM：pulse width modulation)技術，其中矩形波的占空比與音頻信號的振幅成正比。通過與一個高頻鋸齒波比較，可以很容易地將模擬輸入轉換為PWM(參見圖1)。

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　　圖1, 具有模擬輸入的D類系統

　　但是，從CD和DVD光盤到數字廣播和MP3，大多數當今的媒體格式都是數字的，在進行D類放大之前將其轉換為模擬信號不可避免地會增加噪聲并提高系統復雜性。在數字域將信號變換為PWM避免了這個問題，并且還消除了比較器和鋸齒波發生器，這是兩個天生會產生噪聲和干擾的模擬元件(參見圖2)。

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　　圖2 具有數字輸入的D類系統

　　利用現有芯片功能

　　利用這種工作原理，Wolfson Microelectronics最近推出了一款PWM控制器。WM8608構成了具有多達6.1個輸出聲道的數字輸入D類解決方案的基礎。該方案采用了I2S或類似標準格式的數字輸入，將每個聲道轉換為一個高頻PWM信號，驅動由四個功率MOSFET組成的輸出級。然后由低通重建濾波器平均PWM信號，顯現由原始數字信號代表的模擬電平。然后再將該經過濾波的信號傳送到揚聲器(參見圖3)。

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　　圖3，以WM8608為特色的系統方框圖

　　為了產生PWM輸出，WM8608首先生成一個內部時鐘，其256個周期構成一個PWM周期。根據數字輸入，PWM輸出在12至244時鐘周期之間保持為高，在其它地方則保持為低(最初12個周期總為高，最末12個周期總為低)。因此在一個PWM周期之內可以產生232 (244-12)個不同的輸出電平。實際上，這就是一個232級數模轉換器(DAC)，分辨率為7.86 bits (log2 232)。不過，這還不是一個完整的故事：由于典型的PWM頻率為384或352.8kHz，存在8種可以代表各個音頻采樣的PWM周期。WM8608發揮了這種過度采樣(oversampling)的優勢，利用了線性化和噪聲整形技術，這些技術最初是為將西格瑪-德爾塔DAC的有效分辨率提高到高于16 bits而開發的。高于100dB(A-權重)的信噪比已經得到驗證。

　　保持內部時鐘“清潔”至關重要，因為任何抖動都會引起PWM信號邊緣定時的隨機變化，這會以噪聲的形式出現在模擬輸出中。因此內部時鐘由一個芯片內低噪聲鎖相環(PLL)通過系統主時鐘產生。只要主時鐘適當地清潔，這樣就會消除掉大多數抖動。理想情況下，主時鐘也應該由WM8608產生。因為這樣可以把振蕩器和PLL之間的連接保留在芯片內，就防止了來自開關輸出級或其它來源的干擾破壞時鐘。此外，不需要外部PLL濾波元件，降低了對PCB布局的敏感性。為了使噪聲不影響給PLL供電的3.3V模擬電源，在接近電源引腳處插入了一個去耦濾波器。

　　輸出級設計

　　與模擬放大器非常類似，D類輸出級可以每聲道與兩個晶體管單端連接，或者構成四晶體管橋接類型。后者通常是首選，因為它提供了無需隔直流電容器的單電源操作(參見圖4)。

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　　圖4，“H”橋接輸出級

　　而單端連接的輸出級要么要求很大的電容器來消除輸出的直流偏置，要么需要更多昂貴的分立電源。橋接配置的另一個優點是將輸出振幅(Vpk-pk)從Vs(電源電壓)加倍到2VS，使得給定電源電壓能夠提供的理論最大功率Pmax提高到四倍：

　　實際上，PWM控制器的占空比范圍僅限于5%到95% (12/256及244/256)，將輸出振幅限制在2VS到1.8VS，而由于阻性損耗功率輸出進一步降低。可以計算如下：

　　其中RParasitic包括一個NMOS和一個PMOS器件的“通”電阻以及電源的內電阻、濾波電感器的串聯電阻和PCB跡線電阻。

　　一個使輸出功率最大化的簡單辦法是使用低阻抗揚聲器。例如

　　，對于同樣的供電電壓，一個4Ω的負載所汲取的功率是一個8 Ω揚聲器的兩倍。但是，這會略微降低功率效率，因為與負載自身相比寄生電阻變的更重要。

　　動態峰值抑制是一種使音頻信號無需更強輸出級就可以發聲更響的技術。本質上，它在數字域放大信號，動態調節增益來預防削波。WM8608利用了一個具有頻率相關延遲的特別峰值抑制器來避免低頻失真。