通常情况下，音频放大器可分为A、B、C、D四类。A类放大器使用工作在线性响应区的输出器件，由于输出级一直导通，失真低，但功耗高。B类放大器使用互补器件，每个器件在半个波形中导通，如果输入为零，两个器件都关断，因此效率更高，代价是过零点的线性度降低，此时两个器件进行导通交接。C类放大器的线性更差，在少于输出波形工作周期一半的时间内导通，因此不适用于需要高保真度的应用。


D类音频放大器

在便携应用中已普遍使用A类和B类放大器，使用中对输出器件施加偏置，使其刚好在没有信号时打开。因此，每个器件的导通时间比半个周期稍多一点，比总周期少。即使这样，从 理论上讲A类、B类放大器可实现的最大效率仅为70%左右。因此，一些设计者开始关注非线性方法，尤其是称为D类的新型放大器，其在理论上可实现90%～95%的效率，通过仔细选择元件、电路设计和布局技术，可以将寄生效应降至最低，D类放大器至少可以实现与A类、B类放大器相当的音频保真度。

图1 脉宽调制（PWM）脉冲发生瞬态分析（略）

表1：D类放大器的拓扑结构（略）

从本质上讲，D类音频放大器是一个开关或PWM放大器。与大多数音频设备一样，其输入频率是20 Hz ~20 kHz。将输入信号与三角波或锯齿波（其频率必须比输入信号高很多）进行比较，以产生PWM脉冲流，见图1。如果输入波形超过锯齿波参考电平， PWM输出为“高”，如果低于参考电平，输出为“低”。然后用得到的PWM信号来驱动功率级，产生放大的数字信号。输出开关总是完全打开或完全关闭，因此可以降低功耗。最后，用一个简单的低通滤波器滤去PWM载波频率，再现正弦音频信号，见图2。

图2 脉宽调制（PWM）脉冲发生瞬态分析（略）

D类放大器的拓扑结构分为半桥和全桥两种，见表1。全桥拓扑使用单个正电源、4个MOSFET和2个门驱动器。与所有的推挽配置一样，其负输出是波形的正输出部分的镜像，因此没有偶次谐波失真。全桥拓扑的另一个非常有用的特性是可以实现更高次PWM调制方案如3级PWM，由于量化，使得错误更少。相对而言，半桥拓扑需要正、负电源线和DC偏移调整，其优点是需要的元件数量少，只需要两个MOSFET和一个单栅驱动器。

D类放大器设计中应注意的问题

进行线性放大器设计需要注意旧系统和D类解决方案之间的主要区别，尤其是增益、能流和基本的能量损耗源。设计者必须进行多种优化以获得最优的音频质量。在全桥和半桥方法中，这些因素也有所不同。

就增益而言，必须牢记D类放大器的增益与总线电压成比例。这不仅需要设计者使用不同的基本增益计算方法，而且也意味着总线电压波动是输出失真的直接反映。电源抑制比(PSRR) 是0 dB。因此，在D类放大器中，普遍使用反馈来补偿总线电压的变化。

第二个要注意的因素是能流，半桥和全桥拓扑不同。在D类放大器中，源和负载之间的能流是双向的。使用从负载返回源的能流对总线电容进行充电。通常，电源不能吸收这个能量，它主要存储在输出LPF的电感中，结果是“总线激励”。因为增益与总线电压成比例，严重的总线电压浮动可以引起谐波失真。相对而言，在全桥电路中，由于全桥的互补臂可以消耗来自其他臂的能量，其能流通常像线性电路那样，由源到负载。

尽管效率是D类放大器不容置疑的优势，设计者仍需了解这类电路中的损耗原因。这是因为，与线性电路不同，D类放大器的损耗与器件的特性紧密相关。因此，元件的选择对性能有重要的影响。设计者必须注意器件的导通电阻(RDS(on))、栅电容（数据表中用电荷定义的项：Qg）、输出电容(COut)和关断延迟时间(tf)。就电路设计而言，损耗也与输出电压向总线电压漂移的比率(K)有关，见图3。

图3 D累放大器的能量损耗情况（略）

理想的D类放大器可以提供100%的效率，在音频段没有失真和噪声产生。但是实际运用中的D类放大器是有失真和噪声的，见图4。分辨率的局限或定时抖动会在从调制器到开关级的PWM信号中引起非线性。开关器件具有有限的导通电阻和开关速度，输出低通滤波器(LPF)中的非线性可能会引起失真，寄生效应可能会引起瞬态振荡。

图4 引起D类放大器失真和噪声的主要原因（略）

总之，定时误差如空载时间、ton/toff和tr/tf，是引起非线性的主要因素。特别地，小量的空载时间（数十纳秒）可以产生大于1%的 THD（总谐波失真）。这就需要进行设计均衡，因为特定的空载时间是确保高端和低端MOSFET不同时打开、并且不在DC总线电压和地之间产生短路所必需的。在指标范围内，各种器件的有效空载时间是不同的，也与工作温度有关。

40 ns的空载时间可以产生2% 的THD。如果将空载时间降至15 ns，可以实现0.2%的 THD，见图 5。为解释其原因，需要将D类电路的工作分为三个区。

图5 D累放大器的总谐波失真情况（略）

在第一个工作区，大于电感纹波电流的输出电流从D类级流向负载。在高端关断、低端打开之前，输出节点被驱动到负DC总线电势。这是由来自解调电感的换向电流自动引起的，与低端打开定时无关。因此，输出波形的定时不受插入到低端打开沿的空载时间的影响，一直跟随输入定时的高端。相应地，PWM波形仅由插入到高端栅信号的空载时间截断，使电压增益比预期稍低。在负工作区的情况也类似。输出波形的定时不受插入到高端打开沿的空载时间的影响，一直跟随低端输入定时。

在这两个区之外，输出定时与空载时间无关。当输出电流小于电感纹波电流时，由于ZVS（零压开关）操作实现打开，输出定时跟随每个输入的关断沿。这三个工作区的增益稍有不同，便会引起失真。

D类放大器中的电磁干扰

与大多数开关应用一样，在D类放大器设计中，工程师必须注意EMI（电磁干扰）性能。主要的EMI源来自MOSFET体二极管自顶部线流向底部的反向恢复充电，与穿通电流类似。在插入的空载时间以阻止电流的时间间隔内，体二极管由输出LPF中的电感电流打开。在下个时段，当MOSFET的另一边开始打开时，除非存储的少量载流子完全放电，体二极管都处于导通状态。这个反向恢复电流具有锋利的尖峰形状，并由于PCB迹线和封装中的分布电容而引起不希望的振荡。因此，对可靠的设计和降低EMI来说，PCB的布局都是至关重要的。

结语

现在，D类放大器为设计者提供了可靠的音频设备可选方案，可以为便携式应用提供高输出效率，适合要求体积小、功耗低、功率密度高的应用场合（如具有多个大功率音频频道的阵列）。不过，工程师必须注意D类放大器结构的特殊要求，尤其是元件选择和定时参数对最终设计性能的影响。