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D类音频放大器设计:概念、原理和方法(上)

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作者:美国模拟器件公司 Eric Gaalaas时间:2006-08-19来源:电子产品世界收藏

D类首次提出于1958年,近些年已逐渐流行起来。那么,什么是D类?它们与其它类型的相比如何? 为什么D类对于音频应用很有意义?设计一个“优质”D类音频需要考虑哪些因素? 美国模拟器件公司(简称ADI公司)D类放大器产品的特点是什么? 本文中试图回答上述所有问题。

D类放大器的优点

在传统晶体管放大器中,输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器,AB类放大器和B类放大器。与D类放大器设计相比较,即使是最有效的线性输出级,它们的输出级功耗也很大。这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势,因为低功耗产生热量较少,节省印制电路板(PCB)面积和成本,并且能够延长便携式系统的电池寿命。

线性放大器、D类放大器和功耗

线性放大器输出级直接连接到扬声器(有些情况下通过电容器连接)。如果输出级使用双极结晶体管(BJT),它们通常工作在线性方式下,具有大的集射极电压。输出级也可以用互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管实现,如图1所示。

图1  CMOS线性输出级
 
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)。

AB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,AB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。

遗憾的是,即使是精心设计AB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或负。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


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