常見問題解答的第1部分提供了關(guān)于D類放大器的概論，并回答了如何進行選擇放大器以及D類放大器濾波器的設(shè)計問題。

????????什么是D類放大器

　　D類放大器使用了脈沖寬度調(diào)制電路來保持其輸出晶體管工作在全開或全關(guān)狀態(tài)。換句話說，在任何時候，瞬時輸出電壓要么是一個供電電壓，要么是另一個，當然這里忽略了在切換時的短暫過渡期。因此，輸出電流從設(shè)備中沒有明顯電壓下降而傳導(dǎo)出來。

　　歐姆定律指出，功率等于電壓乘以電流。D類放大器將這一等式中的電壓部分保持近似為零，因此盡可能的避免了輸出階段的消耗功率。D類放大器比其他技術(shù)有著更好的優(yōu)勢，該類放大器的典型效率最高可達95%，平均效率也在80%的水平。D類放大器可以切換的頻率高于音頻帶。大部分的D類放大器的切換頻率為300K赫茲到2M赫茲。

　　為什么要使用D類放大器

　　因為D類放大器非常有效，充分利用了來自電池以及其他功率受限源的有限功率。此外，這種較高效率消除了很多放大器在低于10瓦輸出功率時的散熱要求。D類放大器并沒有對其他鄰近的元件以及其他拓撲結(jié)構(gòu)造成散熱影響，從而降低了環(huán)境的溫度。另外，D類放大器的熱效率使其可使用標準的IC封裝，無需特別考慮散熱問題。

　　何時使用D類放大器?

　　使用D類放大器并不適用于所有應(yīng)用的最重要原因是輸出的切換會造成電磁干擾。很多應(yīng)用場合中，這種電磁干擾是可以容忍的，因此可認為這些設(shè)備滿足了電磁兼容的認證，但設(shè)計師不選用D類放大器還有另外一些考慮。

　　D類放大器第二個要考慮的是他們的聲音質(zhì)量一般不如AB類放大器以及其他技術(shù)的好。盡管在紙面上比較這兩種拓撲可能會導(dǎo)致這個結(jié)論，在一些終極的應(yīng)用中，這往往不再是一個問題，因為揚聲器的失真是系統(tǒng)失真的主要因素。

　　什么是半橋/單端D類放大器

　　半橋D類放大器每個通道都有一個輸出。在半橋模式下(單端輸出放大器同理)揚聲器連接著雙供電系統(tǒng)中的單個輸出并接地。在單供電系統(tǒng)中，一個較大的電容用來阻止VCC/2直流電壓通過揚聲器的負載而出現(xiàn)。這個電容一般是幾百微發(fā)或者更多，這取決于系統(tǒng)的低音要求和揚聲器額阻抗。

　　什么是全橋/差分D類放大器

　　半橋放大器對于那些對稱的雙供電系統(tǒng)是非常好的。所需的直流阻止電容的成本及尺寸使得他們在單供電系統(tǒng)并不適用。

　　全橋D類放大器每個通道有兩個輸出。全橋放大器又被稱作橋接負載(BTL)放大器或差分放大器。在全橋模式下，揚聲器連接著兩個輸出端。D類放大器的輸出偏置很低，因此無需隔直電容。

　　全橋放大器提供了尺寸最小的系統(tǒng)解決方案，也是D類放大器拓撲中最常見的。

　　是D類放大器還是“數(shù)字”放大器

　　在很多情況下，D類放大器不是數(shù)字放大器。這主要有幾個理由。在一個基本的開環(huán)數(shù)字D類放大器中，放大器的功率供應(yīng)抑制幾乎為零。實際上，功率供應(yīng)的幅度是用來音量控制的。純數(shù)字放大器的另一個問題是在輸出延遲、傳輸時間以及過沖的不匹配。這些綜合起來就會產(chǎn)生輸出的非線性現(xiàn)象，從而產(chǎn)生諧波失真。

　　幸運的是，模擬方法可以減輕上面的缺點。D類放大器的絕大多數(shù)使用了模擬域的全局反饋和糾錯技術(shù)。這使得THD+N范圍為0.01%，超過08dB的PSRR是常見的。

　　一些D類放大器是真正意義上的數(shù)字放大器。專用的數(shù)字電路彌補了輸出限制的非線性。真正意義上的D類放大器實際上只占D類放大器芯片的一小部分。

　　半橋D類放大器相比于全橋放大器，有哪些優(yōu)勢?

　　半橋D類放大器使用更小的芯片，來得到同樣數(shù)量級的功率，從而使得相對于真?zhèn)€芯片的成本而言，每瓦的成本最低。半橋設(shè)備在單供電系統(tǒng)中需要一個隔直電容，因而會抵消整個成本上的優(yōu)勢，另外還使得整個解決方法的尺寸變大。

　　在有很多大LED背光供電的應(yīng)用中，如24V，使用半橋放大器會得到更好的性價比，對應(yīng)的驅(qū)動負載為8Ω，每個輸出通道獲取8瓦-10瓦。

　　其他類型的放大器有哪些?

　　普遍采用的音頻放大器有：

　　* A類

　　* B類

　　* AB類

　　* D類

　　* G類

　　* H類

　　通過搜索網(wǎng)頁，讀者可以得到這些類型放大器的描述。一些芯片制造商已經(jīng)添加了“新型”類型來描述他們的D類的特殊類。有辨析能力的設(shè)計師將會看到這些器件的優(yōu)點，而不會被最新的營銷描述所迷惑。

　　D類的耳機放大器怎么樣?

　　D類耳機放大器已經(jīng)應(yīng)有了很多年。它們的應(yīng)用主要是圍繞耳機本身的特點。D類放大器的較低的電磁干擾性能要求工程師控制導(dǎo)線的長度、導(dǎo)線的類型以及揚聲器的負載阻抗。當用戶將任何一個耳機連接到標準的耳機插孔上，所有這些控制都是徒勞的。實際上，耳機線本身是一個很好的天線，很多便攜式設(shè)備都用它作為調(diào)頻接收天線。

　　在一個自供電耳機中，這并沒有什么問題。很多藍牙耳機有全橋D類放大器來提供最佳的電池使用周期。在這樣的系統(tǒng)中，耳機線會很短，負載阻抗也是已知的。

　　D類放大器可以工作在鋰電池上嗎?

　　用于便攜式設(shè)備的D類放大器的標準工作電壓為3V到4.2V，因此對于使用鋰電池或鋰聚合物電池十分理想。在這樣的供電范圍內(nèi)，可用的功率隨著電池電壓變化而變化。例如，當負載為8Ω時，供電電壓為3V就意味著功率為500mW，而電壓變?yōu)?.2V時功率為1.1W。實際性能依賴于D類放大器。

　　如何在較大的供電范圍內(nèi)獲取穩(wěn)定的輸出功率?

　　D類放大器的高效率使其成為升壓供電系統(tǒng)的理想之選。一些負載為8Ω的應(yīng)用需要輸出功率為1W，而不考慮電池電壓情況。在這樣的系統(tǒng)中，使用D類放大器可以滿足這樣性能要求。

　　一些D類放大器有升壓轉(zhuǎn)換裝置，如LM48510。這就為放大器提供了一個開關(guān)模式的電源供應(yīng)，因此當電壓超過5.5V時，D類放大器仍可以工作。這種方法的另一個好處是升壓可以用作LED閃光燈或照明。

　　什么是無濾波式D類放大器

　　無濾波式D類放大器具有自適應(yīng)輸出調(diào)制功能，因此塔可用于直接連接揚聲器，中間無需濾波器。無濾波式D類放大器可用在那些耳機線小于10cm的應(yīng)用中。

　　如果是非無濾波式D類放大器，那么推薦使用一個濾波器。脈寬調(diào)制(PWM)波形會在揚聲器的音圈中造成較高的I2R失真，進而減小了電池的壽命，并可能會破壞揚聲器。

　　為什么我的無濾波式D類放大器中還有濾波器?

　　很多無濾波式D類放大器，如LM4675，在其演示板上依然包含了一個濾波器。這個濾波器是為了允許用戶通過典型的示波器和音頻分析儀來測試那個其D類放大器的性能。PWM波形比聲音信號本身好強的多，因此可以驅(qū)動這些測試儀器的輸入。該濾波器的出現(xiàn)允許使用標準的測試設(shè)備來對系統(tǒng)進行評估。

　　我是否需要一個濾波器用在D類放大器上?

　　在連接線較短的應(yīng)用中，這個問題的回答是：不需要。一些D類放大器使用了擴頻時鐘來減小RF能量出現(xiàn)在輸出上。邊緣速率受限的電路減小了實際的RF能量滲到輸出端。將擴頻和邊緣速率受限結(jié)合起來，例如LM48310，就可以實現(xiàn)最佳的電磁兼容認證，而無需輸出濾波器。

　　如何為D類放大器設(shè)計濾波器?

　　L = (0.225 * RL) / fC

　　C= 0.113 / (RL * fC)

　　用于D類放大器的低通濾波器可以使用同一公式和(或)同樣的軟件，如揚聲器天橋。在絕大多數(shù)應(yīng)用中，二階巴特沃斯傳遞函數(shù)會提供最佳組合性能，包括敏感度及成本。對于單端放大器而言，該公式可表示為：

　　L = (0.225 * RL) / fC

　　C= 0.113 / (RL * fC)

　　其中RL為揚聲器的阻抗，fC為理想的截止頻率，L和C分別為該濾波器的電感和電容。例如，當負載阻抗為8Ω和理想截止頻率為30kHz時，電感值為60μH，電容值為0.47μF。

　　不幸的是，60μH是一個非標準的值，因此我們需要增加該值成為標準的68μH。通過逆推電感方程，可得新的截止頻率為26.5kHz，因此我們會獲得新的電容值為0.53μF，這可以通過將0.47μF的電容和6800pF的電容并聯(lián)而近似得到。。

　　L1 = L2 = (0.113 * RL) / fC

　　CTOT = 0.225 / (RL * fC)

　　對于全橋D類放大器，上述公式可修改稱如下所示：

　　L1 = L2 = (0.113 * RL) / fC

　　CTOT = 0.225 / (RL * fC)

　　CTOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1)

　　其中L1和L2是兩個所需的電感，CTOT是總的負載電容。全橋D類放大器的負載電容通?？赏ㄟ^下列公式得到

　　CTOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1)

　　其中CS1和CS2分別是接地的并聯(lián)電容，CD1是微分電容。例如，對于負載阻抗為8Ω和理想截止頻率為30kHz時，電感為30μH，而電容為0.934μF。

　　不幸的是，30μH是非理想的值，因此需要修改該值成標準的33μH，從而需要逆推電感公式得到新的截止頻率為27.4kHz，進而新的電容為1.03μF?？梢詫⒃O(shè)置CD1=0.47μF，CS1=0.047μF，CS2=0.047μF來得到所需的CTOT。

　　這種分離濾波器電容方法的最大好處在于，這樣可以得到很好的電磁兼容性能和良好的音頻性能。CD1值越大，越能提高音頻頻段的濾波性能;CS1和CS2越小，越能使能減小電磁兼容測試時的高頻干擾。

　　即將推出的第二部分：佐貝爾(Zobel)電路，D類放大器的測試與測量，PCB布局和接地問題。

　　在問與答的第二部分內(nèi)容里，主要考慮佐貝爾電路、D 類放大器的測試與測量，以及PCB布局和接地相關(guān)問題。佐貝爾電路是什么?佐貝爾是阻抗匹配電路，常用于擴音器中。佐貝爾電路又稱為Boucherot 單元，或者有時被不恰當?shù)姆Q為RC 串聯(lián)電路(RC snubber)標準的擴音器的阻抗不是固定的，在音頻段的高端會明顯變大。為了使D 類放大器按照設(shè)計那樣工作，這種增加的阻抗需要在設(shè)計中予以考慮。一種最簡單的補償方法就是使用佐貝爾電路，即一個簡單的電阻和電容串聯(lián)連接到擴音器的終端。盡管佐貝爾電路元件的選擇依賴于很多因素，下面的公式給予很好的解決：

　　RZ = RL

　　CZ = 1 / (2 * π * fC * RL)

　　其中RZ 是佐貝爾電路的電阻阻值，而CZ 表示為佐貝爾電路的電容，RL 是擴音器的阻抗，fC 是所需的截止頻率。對于一個27.4kHz 的全橋設(shè)計例子，CZ 通常取值為0.73 μF。對于大多數(shù)應(yīng)用，電容值可以取0.47 μF 或1 μF，因為這并不是非常敏感的參數(shù)。圖3為佐貝爾電路的示意圖。

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　　是否可以使用磁珠來代替LC 濾波器?

　　在很多應(yīng)用中，D 類放大器可與磁珠一道用于連接分流或差分負載電容的濾波。一個潛在的問題是，在開關(guān)頻率時，磁珠幾乎出現(xiàn)短路，他們的阻抗在1MHz 以上便會增大，在100MHz 附近便會出現(xiàn)峰值。因為在D 類放大器的開關(guān)頻率下，阻抗都是很低的，磁珠在輸出過渡期會增加其峰值電流，從而不僅沒有改善電磁干擾反而是加劇這種干擾程度。用于D 類放大器的磁珠過濾器是根據(jù)經(jīng)驗以及輻射測量推導(dǎo)出來的。一般而言，對于額定輸入到負載阻抗的音頻信號的峰值，100_ 或者更高的磁珠是較好的選擇起點。例如，如果D 類放大器工作電壓為5V，負載為4_，那么需要選擇峰值電流至少為1.25-A 的磁珠。磁珠通常通過一對并聯(lián)的電容接地。同樣，這兩個電容的電容值也需要根據(jù)經(jīng)驗來確定，不過100pF 會是一個很好的選擇點。與D類放大器一道工作的磁珠過濾器示意圖如圖4 所示。

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　　在D 類放大器中是否需要雙電感?

　　雙電感有一對密切耦合的同樣圓心的線圈。雙繞組電容只用于D 類放大器，而且不需要特別的輸出調(diào)制。換句話說，只有傳統(tǒng)的“教科書”D 類調(diào)制可以接受，即兩個全橋輸出當沒有音頻信號時將偏離相位180 度。任何“無過濾性”的D 類放大器都無需配合使用雙重繞組電感。

　　這里有一些專門用于D 類放大器的雙電感，其廠商包括：

　　· Sagami

　　· Korea Coil Engineering

　　· FDK

　　· Toko

　　這些特定的雙繞組應(yīng)用，其特點是兩個線圈的較低的互耦合。

　　是否需要為D 類放大器使用共模阻塞一些D 類放大器調(diào)制方案允許使用共模阻塞。共模阻塞意味著一條連接差分信號的低阻抗通道和一條通往其他任何共模信號的高阻抗通道。用在連接小的容性負載時，共模阻塞比電感有著更高的性價比，但比普通式磁珠要貴一些。共模阻塞用在D 類放大器的正常運作是可以觀察到的。主要的驗證參數(shù)是電磁干擾，還可以檢查靜態(tài)電流和THD+N 作為輸出功率的函數(shù)。D 類放大器與共模阻塞不兼容的現(xiàn)象會導(dǎo)致靜態(tài)電流和/或THD+N 的性能退化。

　　是否需要在D 類過濾器中使用差分電容或單端連接很多已有的D 類放大器使用了單個差分電容，而其他的僅僅使用了一對并聯(lián)電容。大多數(shù)情況下，單端差分電容將提供更好的音頻性能，而并聯(lián)電容會提供更好的抗電磁干擾性能。最好的解決方案是同時使用差分和并聯(lián)電容，其中差分電容的值比并聯(lián)的更大些。

　　一般而言，低容值的電容可以在更高的頻率下表現(xiàn)得更好。

　　測試與測量問題

　　為什么在示波器中看不到正弦波形?

　　關(guān)于D 類放大器的一個共同的客戶問題是示波器的觀察。工程師習(xí)慣于在輸出端看到一個正弦波，同樣他們也認為放大器也是正弦振蕩的。實際上，放大器確實是被設(shè)計為振蕩的。外加串聯(lián)的1-kΩ 電阻與并聯(lián)的4700-pF 電容接地，通常會充分抑制開關(guān)頻率，從而可以在示波器上看到音頻信號。如需要更為精確的測量，需要使用有源濾波器或更高階的LC 梯形過濾電路。

　　如何測量D 類放大器?

　　D 類放大器的較高的開關(guān)頻率PWM 輸出會超載大多數(shù)的音頻分析儀輸入。專門的過濾器，如音頻精密輔助AUX-0025提供了一個這樣的過濾器來限制頻譜外的能量。除此之外，平衡后的5 階過濾器將與低失真運算放大器如LME49740 一起確保準確的讀數(shù)。圖5 為實例電路。

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　　該電路是五階巴特沃斯過濾器，并帶有差分前端和一個單端輸出。該電路有著歸一化后的增益，并可工作在最高供電電壓為34V 的環(huán)境中。截止頻率為24kHz，電路在300kHz處有一個理想的108dB 的抑制，盡管實際上很難能做到這一點。

　　是否可以使用8Ω 或4Ω 電阻作為測試負載?

　　D 類放大器應(yīng)該與一個負載一道進行測試，該負載代表了實際的擴音器，并不單單是一個電阻。如果用的是電阻，測試的效率要遠遠差與實際的性能。在大多數(shù)情況下，8Ω的電阻需要再串聯(lián)68-μH 的電感，4Ω 的電阻需要串聯(lián)33μH 的電感。PCB 布局和元件的問題在D 類放大器中，PCB 布局是否重要?

　　PCB 布局在D 類放大器中是非常重要的，其布局影響到獲取最佳信噪比、最佳熱效率以及最低的電磁干擾。任何一個該領(lǐng)域的新設(shè)計師都需要檢查一下已有的設(shè)計來領(lǐng)會最佳實踐方案，同時還需要學(xué)習(xí)一些研究文獻。

　　如何對D 類放大器接地?

　　正確的對D 類放大器接地方法仍處在爭論中。一些工程師使用星式接地法，即將零散的接地匯聚成一個星型的接地點，通常D 類放大器的模擬地或電源地采用這種方法。盡管這種方法很容易在帶有單個芯片的演示板實現(xiàn)，但對于系統(tǒng)中有很多混合信號芯片時則不適用。這些芯片無法成為星式接地，因此需要考慮另一種方法。

　　基于實驗中與星式接地布局的對比，單一接地板面顯示出明顯的改善，包括電磁干擾性能、峰值輸出功率和更低的THD+N。在這一例子中，單一接地板面在兩層PCB 板的頂層和底層都注銅。每個芯片的接地管腳和每個旁路電容的接地端可以使用該接地板面上任何一個連接孔。此外，在PCB 開放區(qū)域，連接孔還直接連接著頂層和底層接地板面。通常情況下，連接孔的大小最好為2cm，如果空間允許可以更大一些。與這種單一接地方法相比，部件安置也很重要。高頻率的電流會選擇阻抗更小的通道，即盡可能的直線連接。因此，PCB 設(shè)計者將試圖布局這些部件，從而保證電流確實可以按照這種設(shè)計的通道流通，而不需經(jīng)過其他通道，尤其是對敏感的模擬輸入來說。能做到這一點實際上可以稱之為一種藝術(shù)。此外，對于那些通過電磁干擾認證的系統(tǒng)的研究，也不失為學(xué)習(xí)良好布局技術(shù)的方法。

　　對D 類放大器正確的接地是否重要?

　　接地對于D 類放大器是非常重要的，尤其是涉及到獲取最佳信噪比、最佳熱效率以及最低的電磁干擾。任何一個該領(lǐng)域的新設(shè)計師都需要檢查一下已有的設(shè)計來領(lǐng)會最佳實踐方案，同時還需要學(xué)習(xí)一些研究文獻。

　　使用兩個單聲道D 類放大器還是一個立體聲設(shè)備?

　　如前所述，D 類放大器的致命弱點是它們的電磁干擾。一種可能的解決辦法是考慮使用兩個單聲道放大器來而不是一個立體聲設(shè)備。這將有助于使每個D 類放大器對應(yīng)各自的擴音器最小化，并減小輻射區(qū)域。這種方法為筆記本帶來的好處比手機更加明顯。如果在系統(tǒng)中使用多個D 類放大器，設(shè)備需要通過一個共模時鐘同步信號來驅(qū)動，從而確保沒有任何諧振頻率。

　　哪種電容最適合用作D 類放大器的供電旁路?

　　陶瓷芯片電容是D 類放大器供電旁路的最佳選擇。他們的低ESP 和出色的高頻特性將增強音頻性能并有助于降低電磁干擾。如果D 類放大器布局在遠離供電處，需要添加一些額外的散裝電容。添加的電容最好是低ESR 的鋁電解電容，但一般都使用通用性鋁電解電容。一些工程師們將會用到多個旁路電容來減小電磁干擾。放置在電源管腳最近的是不超過0.1-μF 的小型旁路電容。更大一點的，如1μF 的電容放在緊挨著的位置。一般的做法都是使兩類電容的容值量級相差10 倍，以避免形成共振頻段。

　　做什么有助于確保符合電磁干擾認證?

　　為了滿足符合輻射要求的測試限制，需要設(shè)計師選用高質(zhì)量、低EMI 的D 類放大器，并通過合適的接地和旁路。此外，根據(jù)擴音器線的長度以及最終應(yīng)用的指定頻段，還需要一些輸出濾波。

　　如何能將單端音頻源連接到差分D 類放大器的輸入?

　　很多D 類放大器都有差分輸入來減少不需要的噪聲。如果使用的是單端音頻源，最好使用差分方法。將音頻源的輸出和其輸出參考電壓分別引到D 類放大器的差分輸入對上。

　　圖6 為該例子的電路示意圖。

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　　如何能將差分的音頻源連接到單端的D 類放大器輸入?

　　如果要將差分源連接到單端輸入的D 類放大器，最簡單的方法是僅使用一個輸出。

　　或者，在D 類放大器前端增加一個差分運算放大器。