D类放大器

D类放大器，又称开关放大器、数字功率放大器或数字放大器，是一种主要用作功率放大器（功放）的音频放大器。 其特点是模拟或数字音频信号被带入脉冲序列，例如通过脉冲持续时间调制 (PDM)。 因此，输出级可以在开关模式下工作，其晶体管要么处于xxx导电状态，要么处于xxx隔离状态，因此只知道两种状态。 与传统 A、B 或 AB 类放大器中使用的线性操作的中间状态相比，这两个操作范围仅显示出很小的功率损耗。 音频信号完全用PDM信号来描述。 功率级后面的重建滤波器（低通滤波器）生成与输入信号对应的连续电压曲线。 另一种方法是脉冲频率调制。

D 类名称源于标有字母的放大器工作模式的延续。 诸如数字输出级、数字放大器或“全数字”之类的术语给人一种错误的印象，即放大是使用数字技术进行的，或者只有数字输入信号被放大。 实际上，产生的脉宽信号是一个在时间轴上具有无限分辨率的模拟信号。

下面描述了具有脉冲持续时间调制 (PDM) 和模拟控制的放大器。 还有各种其他模拟和数字方法或改进，但它们都有一个共同点，即产生仅具有两个电压状态的信号，该信号对应于随时间变化的平均输入信号。 例如脉冲密度调制（脉冲频率调制）、delta sigma 调制或滑动模式控制。 AB 类推挽输出级可以将信号放大到与原始信号类似，直到达到电源可用的xxx电压，PWM 输出级根据不同的原理工作：对称工作的三角波发生器以从大约 250 kHz（对应于 96 kHz 采样率的频率分辨率）到几 MHz 的典型频率振荡，比较器将其电平与要放大的输入信号的电平进行比较。 为了正确表示以 44.1 kHz 采样的 20 kHz 音频信号，D 类放大器的开关频率（或工作频率）必须至少为 100 kHz，因为这允许至少五个开关周期来描述 20 kHz 波。 由于采用比较器结构，该电路将模拟音频信号变为方波，如方框图所示。 如果三角波信号大于音频信号，则输出跳至“高”，如果较小，则跳至“低”。 xxx脉冲宽度小于工作频率的周期时间，因此永远不会打开或关闭（高电平或低电平）超过一个时钟周期。 音频信号现在处于 PDM 信号的占空比中。 因此，平均值与音频信号的平均值大致成比例。 该 PWM 信号被馈送到输出级，其中发生实际放大，由两个开关操作的功率晶体管组成，每个晶体管用于正半波和负半波。

PDM-D 类放大器构建为具有两个晶体管的半桥或具有四个晶体管的全桥（H 桥）。 由于较高的传导和开关损耗，全桥放大器的整体效率最多可降低 10%。 半桥的晶体管基本上在每个时钟周期切换（一个晶体管用于开关状态高，另一个晶体管用于低）。 为了描述信号零（静音），晶体管在时间上对称地开关，脉宽信号的低态和高态之比为50％。 另一方面，为了描述接近调制极限的音频信号，一个晶体管始终导通尽可能多的时间，而另一个晶体管始终导通尽可能短的时间，以表示延伸几个时钟的正半波峰值工作频率的周期。 在开关周期之间插入时间延迟（死区时间），以排除由两个晶体管同时开关引起的短路。 该死区时间导致分辨率受限，并可能导致放大器的总谐波失真 (THD) 增加。 出于这个原因，死区时间保持尽可能小，它在几纳秒的范围内。

脉冲宽度控制的方波信号由于其开关边沿而包含非常高的频率，通过低通滤波器从音频频谱之外的高频分量中分离出来朗姆酒被释放并提供给演讲者。 然而，由于高频开关操作，在 PDM 频率范围或其谐波中存在干扰信号，这些信号优选通过扬声器线路辐射，需要增加干扰抑制措施以避免无线电干扰并符合 EMC 规定。 对于小输出，还使用无滤波器 D 类放大器，这样可以节省昂贵的线圈，通过频率扩展将干扰分散到更大的频率范围内，以符合限制值。 它们可用作所谓的扩频 D 类放大器。

动态分辨率与工作频率和死区时间有关。 输入信号和三角电压的两个连续交点之间的分辨率是无限精细的，因为脉冲持续时间信号的距离或宽度随着音频信号幅度的每次变化而变化，但这些距离或宽度永远不会更精细或更短比死时间变得。 这在要采样的输入信号的非常高（正或负）值的情况下在统计上特别明显，即特别是在完全调制时音频信号的电平峰值与三角形电压的电平峰值相交很短的间隔。 一旦交点落在死区时间内，切换边沿只会在死区时间结束后出现，这意味着相应的动态值无法显示。 由于在最坏情况下开关沿会延迟整个死区时间，并且此时输入端可能已经出现完全不同的振幅值，因此在最坏情况下分辨率通常会受到死区时间的限制。

除了采用MOSFET的分立电路结构外，还有集成D类放大器。 它们通常动态优化死区时间，并具有与模拟放大器相当的总谐波失真、电源抑制比 (PSRR) 和信噪比。

例如，这些低功率放大器中有许多不需要散热器，在 SO-8 外壳中仍可产生超过 10 瓦的功率。

使用开关放大器可以以数字方式执行大多数功能。 输入信号通常是脉冲编码调制信号，由信号处理器或专用数字调制器电路将其转换为输出级的控制信号。 除了已经描述的脉宽调制之外，这里还使用了 delta-sigma 调制。 由于数字处理在输出级信号中引起的量化误差，因此使用了噪声整形方法。 只有在控制输出级时才会留下数字域 - 因此数字放大器原则上是“功率数模转换器”。

D类放大器的特点是在市电和电池操作中更经济的消耗和更少的废热。 得到更紧凑的结构，因为可以提供更小的散热器或者甚至根本不提供散热器。 理论上理想的 D 类放大器具有 xxx 的与功率无关的效率。 另一方面，理想（推挽）模拟放大器的效率在全驱动时介于 78.5%（B 类）和 50%（A 类）之间，但在部分负载范围内（与类的输出电压成线性关系） B，A 类与输出电压的二次方）继续下降并相应地在余热中产生输出功率的倍数。 真正的 D 类放大器在全驱动时的效率为 85% 至 94%，即使在xxx输出功率为 1% 的低负载范围内，效率仍可超过 60%。

在非反馈 D 类放大器的早期，如果电源电压没有完全平滑，有时会发出嗡嗡声。 频率限制、信噪比和失真因数在早期型号中也不尽如人意。 与其他放大器类型相比，D 类放大器显示出增加的相位噪声或有限的信噪比以及在高电平时增加的非线性失真。 这些特性在很大程度上已被克服。

尽管有低通滤波器，放大器内部电源侧产生的兆赫兹范围内的方波电压仍可通过扬声器线路发射，并导致其他设备的干扰。

D类放大器用作音频放大器，主要用于具有高能效的高性能PA系统领域，用作调幅无线电发射机中的调制放大器和用于医疗植入物的无线电源。