淺談D類(lèi)音頻放大器論文

　　摘 要：對于A(yíng)類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)、C類(lèi)音頻放大器已是熟知的東西，但對于D類(lèi)、音頻放大器的認識則誤區甚多， 以至于指鹿為馬的事情頻繁發(fā)生，因而正確了解放大器的本質(zhì)至關(guān)重要。本文就是對D類(lèi)音頻放大器的一次比較系統的綜述。

　　關(guān)鍵詞：D類(lèi)放大器

　　引言：

　　音頻放大器已經(jīng)有將近一個(gè)世紀的歷史了，最早的電子放大器問(wèn)世后最先的應用就是音頻放大器。直到現在，各種各樣的音頻放大器還在不斷地更新、發(fā)展、前進(jìn)。進(jìn)入21世界以來(lái)，各種便攜式電子設備成為新的潮流。從作為通訊工具的手機，到作為娛樂(lè )設備的MP3/MP4播放器，以及將要普及的便攜式電視機等等，所有的這些電子設備都需要有音頻放大器，而且，由于它們都是用電池供電的，必須十分節電才可能獲得較長(cháng)的電池續航時(shí)間。為滿(mǎn)足這種需求，高效率的D類(lèi)放大器被開(kāi)發(fā)出來(lái)了。它的最大特點(diǎn)就是它能夠在保持最低失真的情況下得到最高的效率。

　　傳統的D類(lèi)放大器的最大特點(diǎn)就是它能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。隨著(zhù)移動(dòng)音頻設備的迅速發(fā)展,傳統的模擬線(xiàn)性放大器已不能滿(mǎn)足大功率輸出同時(shí)發(fā)熱量少的要求,而D類(lèi)放大器能克服以上缺點(diǎn),但其引入的失真通常大于線(xiàn)性放大器,研究適合的控制方法以改善D類(lèi)放大器的保真度,是近年來(lái)聲學(xué)技術(shù)和音頻功率放大領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。高頻率的音頻放大器不只是在便攜式設備中需要，而且在大功率的電子設備中也需要。例如在高保真音響設備和高檔家庭影院設備中，往往需要幾十瓦到幾百瓦的音頻功率。這些設備也可以成為低失真、高頻率的D類(lèi)放大器的用武之地。

　　一、D類(lèi)放大器的基本原理

　　D類(lèi)放大器也有人稱(chēng)之為“數字音頻放大器”。這個(gè)名稱(chēng)似乎更為恰當，因為有一種D類(lèi)放大器可以接收數字信號而無(wú)需再進(jìn)行D/A變換了。D類(lèi)放大器所采用的技術(shù)是脈寬調制技術(shù)PWM，這種技術(shù)的基本點(diǎn)是把模擬音頻信號的幅度調制成一系列矩形脈沖的寬度，使模擬音頻信號變成一系列寬度受到調制的等幅脈沖信號。原來(lái)的模擬信號并非包含在這個(gè)脈沖信號的幅度中，而是包含在它的寬度中。在無(wú)信號時(shí)，輸入信號為對稱(chēng)方波。因而若在放大的時(shí)候，幅度上產(chǎn)生失真并不會(huì )使原來(lái)的音頻信號產(chǎn)生失真。在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作的晶體管的效率是很高的：在完全導通狀態(tài)下，晶體管的電流很大但是壓降很小(由其飽和電阻決定)；而在截止狀態(tài)下，加在晶體管上的電壓很高，但是流過(guò)晶體管的電流很小(只是其漏電流而已)。在這兩種狀態(tài)下，晶體管的功率耗散都非常低，所以非常節電。此外還可以使晶體管在沒(méi)有音頻信號時(shí)完全工作在截止狀態(tài)，這樣效率就更高。通常為了不失真地放大最高頻率分量為20kHz的音頻信號，該三角波的重復頻率最好在250kHz以上， 以減小對于輸出濾波的要求。當這個(gè)等幅矩形波的幅度被放大以后，還要還原成原來(lái)的音頻信號，這時(shí)，只需要通過(guò)一個(gè)低通濾波器濾掉不需要的高頻分量就即可。

　　二、D類(lèi)放大器的效率

　　和通常采用的AB類(lèi)放大器相比，D類(lèi)放大器有很高的效率。而且，D類(lèi)放大器可以在很小的輸出功率時(shí)就可以達到很高的效率，或者說(shuō)D類(lèi)放大器的效率和輸入信號的大小無(wú)關(guān)，而不像在A(yíng)B類(lèi)放大器中只有在很高的輸出功率時(shí)才能達到比較高的效率。

　　D類(lèi)放大器之所以能夠獲得很高的效率，是因為它的輸出級完全工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。對于理想的開(kāi)關(guān)，它的效率可以達到100％。但因為晶體管并不是一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)，所以在截止時(shí)電阻并沒(méi)有到無(wú)限大，而在導通時(shí)其電阻也不會(huì )為零。由于其負載揚聲器的電阻很低，晶體管的漏電流又很小，所以在截止時(shí)晶體管的損耗可以忽略不計。因而只要考慮在晶體管導通時(shí)的損耗。

　　三、D類(lèi)放大器的失真

　　放大器的失真主要有三種：線(xiàn)性失真、非線(xiàn)性失真和雜訊。線(xiàn)性圖10典型的THD+N和輸出功率的關(guān)系失真不會(huì )產(chǎn)生高次諧波，而只是改變信號中各個(gè)分量的相對大小和時(shí)間關(guān)系，于人耳的聽(tīng)感影響不是很大；非線(xiàn)性失真則會(huì )產(chǎn)生原始信號中所沒(méi)有的頻率分量，對人耳聽(tīng)感的影響感比較大；雜訊更是會(huì )讓人產(chǎn)生不舒服的感覺(jué)。然而，雜訊常常是在前端信號電平比較低的時(shí)候產(chǎn)生，而D類(lèi)放大器通常都是功率放大器，因而，雜訊的影響可以忽略。因此，在D類(lèi)放大器中，最重要的失真就是非線(xiàn)性失真。非線(xiàn)性失真通常是用總諧波失真THD來(lái)表示。THD的測量方式是采用所產(chǎn)生出來(lái)的新的頻率分量的幅度的總數來(lái)進(jìn)行測算的。很多時(shí)候這樣的新的頻率分量一般是輸入信號的諧波。所謂的偶此諧波就是偶倍數的諧波。奇次諧波指的就是奇倍數的諧波。對那些推挽或者是平衡電路來(lái)說(shuō)，它們之間是相互對稱(chēng)的，因此不大會(huì )產(chǎn)生偶次諧波出來(lái)，所產(chǎn)生的大多是奇次諧波。在THD當中各次諧波的總和是采用其幾何的總和，指的就是各次諧波幅度平方和的開(kāi)方值。例如：若二次諧波的幅度為4，三次諧波幅度也是4，那么其幾何和為5．66(32的開(kāi)方值)。若還要考慮雜訊的話(huà)，那么我們就用TED+N(其中N為雜訊)來(lái)表示。D類(lèi)放大器由于其雜訊比較大些，所以其THD十N的值要大于THD的值。D類(lèi)放大器的失真主要是由以下因素所引起：

　　1.采樣時(shí)的脈寬誤差和量化誤差；

　　2.驅動(dòng)管的死區和延時(shí)；

　　3.功放管的導通時(shí)間和體二極體恢復；

　　4.輸出濾波電感和電容的非線(xiàn)性。

　　通常，D類(lèi)放大器的TED是和輸出功率的大小有關(guān)，輸出功率越大，其失真也跟著(zhù)增大。

　　四、D類(lèi)放大器的頻率響應

　　D類(lèi)放大器可以得到很好的頻率響應。只要用于采樣的三角波重復頻率比音頻信號的最高頻率分量的頻率高10倍以上就可以。所以，用250Hz三角波的D類(lèi)放大器很容易得到超過(guò)20kHz的頻率響應。

　　五、D類(lèi)放大器的電源抑制比(PSSR)

　　所謂電源抑制比(PSSR)就是指電源的變化反映到輸出的變化之比。在線(xiàn)性放大器中，放大器的增益幾乎完全和電源電壓的變化無(wú)關(guān)。在D類(lèi)放大器中情況就完全不同了。放大器的輸出盲榜和電源電壓有關(guān)。也可以說(shuō)放大器的增益和電源電壓成正比。這時(shí)候它的PSSR就等于0dB。為了提高放大器的PSSR，通�？梢圆捎秘摲答伒姆椒�。采用負反饋以后，通�？梢园裀SSR提高到70dB以上。

　　六、D類(lèi)放大器的應用

　　D類(lèi)放大器的應用十分廣泛，總的來(lái)說(shuō)，只要是有進(jìn)行音頻放大需要的場(chǎng)合，都能運用到D類(lèi)放大器。因此，從最初的電話(huà)機、收音機、電視機、音響設備，直至到現代的手機、MP3播放機、LCD電視機、電腦音響都可以采用D類(lèi)放大器。然而和現代的模擬音頻放大器                相比，D類(lèi)放大器目前的價(jià)格還略為高些。

　　因為D類(lèi)放大器的最大優(yōu)點(diǎn)是效率高、節電。對于它來(lái)說(shuō)使用干電池比較合適。如：手機、筆記本電腦、攜帶型DVD播放機等。這些設備在采用了D類(lèi)放大器同時(shí)也大大延長(cháng)電池的壽命。其它如大功率的音響設備， 因為耗電很大，所以也是非常需要采用高效率的D類(lèi)放大器。

　　結語(yǔ)

　　總體來(lái)說(shuō)，D類(lèi)放大器經(jīng)過(guò)了近些年來(lái)的發(fā)展，已經(jīng)成功地運用到了手機及一般便攜式產(chǎn)品中。D類(lèi)放大器今后的發(fā)展會(huì )取代普通的AB類(lèi)產(chǎn)品，高級D類(lèi)放大器的可選擇的范圍正在不斷擴大，使得各種消費類(lèi)終端設備(如平扳顯示器、PDA、智能電話(huà)、移動(dòng)電話(huà)、汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電等)的設計者可以提高產(chǎn)品的功率性能，同時(shí)保持甚至減小產(chǎn)品體積和成本。D類(lèi)放大器時(shí)代的到來(lái)使設計人員能夠在產(chǎn)品中實(shí)現高性能音頻，給消費者帶來(lái)更好的體驗。

　　參考文獻：

　　吳忠智，吳加林.中(高)壓大功率變頻器應用手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2003.11

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　　韓憲柱.數字音頻技術(shù)及應用.北京:中國廣播電視出版社

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