探讨D类功率放大器
摘要：我国经济的飞速发展，丰富了居民物质生活需要，一些家电用品在科学技术的飞速带动下，其更新速度越变越快。
在音频这快速发展的这几十年里，各种技术类型的音频功率放大器充斥着市场，先有a类，后有b类，而后就是ab类的音频功率放大器。
同时在居民对音响效果的追求，科学技术也在这方面发展，d类功率放大器正成为消费者首选。
d类功率放大器具有比较多的优点，其功耗低，产生的热量也比较少，一方面还可以节省许多的印制电路板的面积与制造成本，另一方面可以有效的延长该器械中的电池寿命。
d类功率放大器的原理是透过控制开关的单元中的on/off，在此基础上，比较好的驱动其内部的扬声器的放大器。
由于d类功率放大器的发展历程短，其系统与音频质量还需提高。
本文从d类功放的发展背景、诞生的缘由、功率放大器的基本组成等方面叙述，在此基础上，探讨传统功放与d类功放的比较。
关键词：音频领域；印制电路板；音响效果；扬声器；功耗低
家庭影院自上世纪80年代兴起后，现代的家庭影音系统开始有着质的飞跃，可以在瞬间得到众多观众的喜爱，尤其在年轻一代中广受欢迎，并且飞速的进入消费者的家中。
随着信息技术的发展，家庭影音系统正在这些技术的带动下，其技术质量、音响效果等越来越受完美，许多电子技术的爱好者也希望能够自己独立完成按照自己意愿设计的家庭影音系统，这一逐渐成为社会年轻人的一大发展趋势。
一、d类功率放大器的概述
几十年在音频领域中，a类，b类，ab类音频功率放大器一直占据统治地位。
音频功率放大器发展经历了这样的几个过程：所有器件从电子管、晶体管到集成电路的过程：电路组成从单管到推挽的过程：电路形成从变压器输出到otl、ocl、btl的形式过程。
其基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。
全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备的环保要求。
迫使人们开发，高效、节能、环保、数字化的音频功率放大器，它应该具有工作效率高，便于与其它数字化设备相连接的特点。
d类功率放大器就是pwm型功率放大器。
它基本符合上面的要求。
在高保真音响电路中，功放电路通常由两个或两个以上的音频声道所组成。
每个声道分为两个主要的部分，即前置放大器和功率放大器。
两部分电路可分设在两个机箱内，也可组装在同一个机箱内，后者称为综合放大器。
由于左、右声道完全相同，所以在双声道电路中只介绍其中一路：
（一）前置放大器的组成
前置放大器具有双重功能：它要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；还要进行各种音质控制，以美化声音。
这些功能由均衡放大、音源选择、输入放大和音质控制等电路来完成。
1.音源选择
音源选择电路的功能是选择所需的音源信号送入后级，同时关闭其他音源通道。
各种音源的输出是各不相同的，通常分为高电平与低
电平两类。
调谐器、录音座、cd唱机、vcd/dvd影碟机等音源的输出信号电平达50～500mv，称为高电平音源，可直接送入音源选择电路；而动圈式和动磁式电唱机的输出电平仅为0.5～5mv，称为低电平音源，须经均衡放大后才能送入音源选择电路。
线路输入端又称为辅助输入端，可增加前置放大器的用途和灵活性，供连接电视信号和其他高电平音源之用。
2.输入放大
输入放大器的作用是将音源信号放大到额定电平，通常是1v左右。
输入放大器可设计为独立的放大器，也可在音质控制电路中完成所需要的放大。
3.音质控制
音质控制的目的是使音响系统的频率特性可以控制，以达到高保真的音质；或者根据聆听者的爱好，修饰与美化声音。
有时还可以插入独立的均衡器，以进一步美化声音。
音质控制包括音量控制、响度控制、音调控制、左、右声道平衡控制、低频噪声和高频噪声抑制等。
（二）功率放大器的组成
虽然功率放大器的电路类型很多，但基本上都由激励级、输出级和保护电路所组成。
二、传统功放与d类功放的比较
功率消耗在所有线性输出级，因为产生输出电压vout的过程中不可避免地会在至少一个输出晶体管内造成非零的ids和vds。
功耗
大小主要取决于对输出晶体管的偏置方法。
a类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流（dc）电流源，能够提供扬声器需要的最大音频电流。
a类放大器输出级可以提供优良的音质，但功耗非常大，因为通常有很大的dc偏置电流流过输出级晶体管（这是我们不期望的），而没有提供给扬声器（这是我们期望的）。
b 类放大器拓扑结构没有dc偏置电流，所以功耗大大减少。
其输出晶体管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流。
由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。
但是b类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差（交越失真）。
a/b 类放大器是a类放大器和b类放大器的组合折衷，它也使用dc偏置电流，但它远小于单纯的a类放大器。
小的dc偏置电流足以防止交越失真，从而能提供良好的音质。
其功耗介于a类放大器和b类放大器之间，但通常更接近于b类放大器。
与b类放大器电路类似，a/b类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。
即使是精心设计a/b类放大器也有很大的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。
由于漏源极之间的电压降很大，所以会产生很大的瞬时功耗ids×vds。
d类放大器由于具有不同的拓扑结构，其功耗远小于上面任何一类放大器。
d类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉
冲。
这种波形有利于降低功耗，因为当输出晶体管在不导通时具有零电流，并且在导通时具有很低的vds，因而产生较小的功耗ids ×vds 。
d类功放具有多种特点，并且是我们只得关注的。
（一）效率高
在理想情况下，d类功放的效率为100%（实际效率可达90%左右）。
b类功放的效率为78.5%（实际效率约50%），a类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。
这是因为d类功放的放大元件是处于开关工作状态的一种放大模式。
无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。
工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。
理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。
（二）功率大
在d类功放中，功率管的耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合，输出功率可达数百瓦。
（三）失真低
d类功放因工作在开关状态，因而功放管的线性已没有太大意义。
在d类功放中，没有b类功放的交越失真，也不存在功率管放大区的线性问题，更无需电路的负反馈来改善线性，也不需要电路工作点的调试。
（四）体积小、重量轻
d类功放的管耗很小，小功率时的功放管无需加装体积庞大的散热片，大功率时所用的散热片也要比一般功放小得多。
而且一般的d 类功放现在都有多种专用的ic芯片，使得整个d类功放电路的结构很紧凑，外接元器件很少，成本也不高。
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作者简介：
陈刚（1990—），男，汉族，湖北黄冈人，现为华中科技大学文华学院信息学部09级电子信息工程专业学生。