D類放大器

D類放大器，又稱開關放大器、數字功率放大器或數字放大器，是一種主要用作功率放大器（功放）的音頻放大器。 其特點是模擬或數字音頻信號被帶入脈沖序列，例如通過脈沖持續時間調制 (PDM)。 因此，輸出級可以在開關模式下工作，其晶體管要么處于xxx導電狀態，要么處于xxx隔離狀態，因此只知道兩種狀態。 與傳統 A、B 或 AB 類放大器中使用的線性操作的中間狀態相比，這兩個操作范圍僅顯示出很小的功率損耗。 音頻信號完全用PDM信號來描述。 功率級后面的重建濾波器（低通濾波器）生成與輸入信號對應的連續電壓曲線。 另一種方法是脈沖頻率調制。

D 類名稱源于標有字母的放大器工作模式的延續。 諸如數字輸出級、數字放大器或“全數字”之類的術語給人一種錯誤的印象，即放大是使用數字技術進行的，或者只有數字輸入信號被放大。 實際上，產生的脈寬信號是一個在時間軸上具有無限分辨率的模擬信號。

下面描述了具有脈沖持續時間調制 (PDM) 和模擬控制的放大器。 還有各種其他模擬和數字方法或改進，但它們都有一個共同點，即產生僅具有兩個電壓狀態的信號，該信號對應于隨時間變化的平均輸入信號。 例如脈沖密度調制（脈沖頻率調制）、delta sigma 調制或滑動模式控制。 AB 類推挽輸出級可以將信號放大到與原始信號類似，直到達到電源可用的xxx電壓，PWM 輸出級根據不同的原理工作：對稱工作的三角波發生器以從大約 250 kHz（對應于 96 kHz 采樣率的頻率分辨率）到幾 MHz 的典型頻率振蕩，比較器將其電平與要放大的輸入信號的電平進行比較。 為了正確表示以 44.1 kHz 采樣的 20 kHz 音頻信號，D 類放大器的開關頻率（或工作頻率）必須至少為 100 kHz，因為這允許至少五個開關周期來描述 20 kHz 波。 由于采用比較器結構，該電路將模擬音頻信號變為方波，如方框圖所示。 如果三角波信號大于音頻信號，則輸出跳至“高”，如果較小，則跳至“低”。 xxx脈沖寬度小于工作頻率的周期時間，因此永遠不會打開或關閉（高電平或低電平）超過一個時鐘周期。 音頻信號現在處于 PDM 信號的占空比中。 因此，平均值與音頻信號的平均值大致成比例。 該 PWM 信號被饋送到輸出級，其中發生實際放大，由兩個開關操作的功率晶體管組成，每個晶體管用于正半波和負半波。

PDM-D 類放大器構建為具有兩個晶體管的半橋或具有四個晶體管的全橋（H 橋）。 由于較高的傳導和開關損耗，全橋放大器的整體效率最多可降低 10%。 半橋的晶體管基本上在每個時鐘周期切換（一個晶體管用于開關狀態高，另一個晶體管用于低）。 為了描述信號零（靜音），晶體管在時間上對稱地開關，脈寬信號的低態和高態之比為50％。 另一方面，為了描述接近調制極限的音頻信號，一個晶體管始終導通盡可能多的時間，而另一個晶體管始終導通盡可能短的時間，以表示延伸幾個時鐘的正半波峰值工作頻率的周期。 在開關周期之間插入時間延遲（死區時間），以排除由兩個晶體管同時開關引起的短路。 該死區時間導致分辨率受限，并可能導致放大器的總諧波失真 (THD) 增加。 出于這個原因，死區時間保持盡可能小，它在幾納秒的范圍內。

脈沖寬度控制的方波信號由于其開關邊沿而包含非常高的頻率，通過低通濾波器從音頻頻譜之外的高頻分量中分離出來朗姆酒被釋放并提供給演講者。 然而，由于高頻開關操作，在 PDM 頻率范圍或其諧波中存在干擾信號，這些信號優選通過揚聲器線路輻射，需要增加干擾抑制措施以避免無線電干擾并符合 EMC 規定。 對于小輸出，還使用無濾波器 D 類放大器，這樣可以節省昂貴的線圈，通過頻率擴展將干擾分散到更大的頻率范圍內，以符合限制值。 它們可用作所謂的擴頻 D 類放大器。

動態分辨率與工作頻率和死區時間有關。 輸入信號和三角電壓的兩個連續交點之間的分辨率是無限精細的，因為脈沖持續時間信號的距離或寬度隨著音頻信號幅度的每次變化而變化，但這些距離或寬度永遠不會更精細或更短比死時間變得。 這在要采樣的輸入信號的非常高（正或負）值的情況下在統計上特別明顯，即特別是在完全調制時音頻信號的電平峰值與三角形電壓的電平峰值相交很短的間隔。 一旦交點落在死區時間內，切換邊沿只會在死區時間結束后出現，這意味著相應的動態值無法顯示。 由于在最壞情況下開關沿會延遲整個死區時間，并且此時輸入端可能已經出現完全不同的振幅值，因此在最壞情況下分辨率通常會受到死區時間的限制。

除了采用MOSFET的分立電路結構外，還有集成D類放大器。 它們通常動態優化死區時間，并具有與模擬放大器相當的總諧波失真、電源抑制比 (PSRR) 和信噪比。

例如，這些低功率放大器中有許多不需要散熱器，在 SO-8 外殼中仍可產生超過 10 瓦的功率。

使用開關放大器可以以數字方式執行大多數功能。 輸入信號通常是脈沖編碼調制信號，由信號處理器或專用數字調制器電路將其轉換為輸出級的控制信號。 除了已經描述的脈寬調制之外，這里還使用了 delta-sigma 調制。 由于數字處理在輸出級信號中引起的量化誤差，因此使用了噪聲整形方法。 只有在控制輸出級時才會留下數字域 - 因此數字放大器原則上是“功率數模轉換器”。

D類放大器的特點是在市電和電池操作中更經濟的消耗和更少的廢熱。 得到更緊湊的結構，因為可以提供更小的散熱器或者甚至根本不提供散熱器。 理論上理想的 D 類放大器具有 xxx 的與功率無關的效率。 另一方面，理想（推挽）模擬放大器的效率在全驅動時介于 78.5%（B 類）和 50%（A 類）之間，但在部分負載范圍內（與類的輸出電壓成線性關系） B，A 類與輸出電壓的二次方）繼續下降并相應地在余熱中產生輸出功率的倍數。 真正的 D 類放大器在全驅動時的效率為 85% 至 94%，即使在xxx輸出功率為 1% 的低負載范圍內，效率仍可超過 60%。

在非反饋 D 類放大器的早期，如果電源電壓沒有完全平滑，有時會發出嗡嗡聲。 頻率限制、信噪比和失真因數在早期型號中也不盡如人意。 與其他放大器類型相比，D 類放大器顯示出增加的相位噪聲或有限的信噪比以及在高電平時增加的非線性失真。 這些特性在很大程度上已被克服。

盡管有低通濾波器，放大器內部電源側產生的兆赫茲范圍內的方波電壓仍可通過揚聲器線路發射，并導致其他設備的干擾。

D類放大器用作音頻放大器，主要用于具有高能效的高性能PA系統領域，用作調幅無線電發射機中的調制放大器和用于醫療植入物的無線電源。