【正文】 的功率耗散意味著更低的發(fā)熱量、電路板空間及成本的節(jié)省和便攜式系統(tǒng)的電池工作時間的延長等。早些時候晶體管、集成電路的開關(guān)特性差，不能滿足D類音頻功率放大器的技術(shù)要求，因此對D類音頻功率放大器的研究開發(fā)有相當(dāng)?shù)睦щy，研究開發(fā)僅停留在理論上。隨著金屬．氧化物．半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)的出現(xiàn)，其開關(guān)特性很好，工作效率高，開關(guān)速度快，管壓降小，功耗低，適合用于D類音頻功率放大器的研究開發(fā)。近幾年，工業(yè)控制上快速低電壓控制大電流的MOSFET也已用得很普遍，該管開關(guān)特性、導(dǎo)通飽和壓降和截止漏電流特性都大大改善，應(yīng)用到音頻開關(guān)放大器上，能大大提高其可靠性和保真度。故D類放大器在便攜式設(shè)備上的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢，受到許多開發(fā)商的青睞。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀有關(guān)D類功放的理論提出已有近半個世紀(jì)。在1970年，MOSFET出現(xiàn)后才投入實際性開發(fā)。早期的主要缺點是失真度高，后來在控制芯片和功率器件模塊化后性能有所提高，才得以投放市場。全球音頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對音頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快研究開發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器。它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字設(shè)備相連接的特點。D類音頻功率放大器符合上述要求。歷史上出現(xiàn)過三代D類放大器設(shè)計：第一代是由托卡塔設(shè)計的TacTMillennium，證實了D類放大器的概念，但是該技術(shù)還不能提供足夠的性能，這使第一代D類放大器向著實用性的方向發(fā)展。第二代D類放大器把一個用于模擬源信號的PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號和一個集成的輸出級以及片外濾波器組合在一起。這些放大器需要源選擇，音量，平衡和音調(diào)控制等復(fù)雜的前端功能，而這些附加的功能增加了額外的復(fù)雜性。但是首先這代放大器變得價格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超過了AB類放大器，從而獲得了一定的應(yīng)用。第三代是最近一段時間，現(xiàn)有的D類數(shù)字放大器較以前的技術(shù)已有所改善，他們在音質(zhì)、封裝、性能、價格和核心技術(shù)方面都已取得重大改進(jìn)。為了生成精確的音頻，輸入晶體管需要在動態(tài)范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助精確地實現(xiàn)準(zhǔn)確的功率分配。通過采用一個簡單但功能強大的內(nèi)部控制邏輯系統(tǒng)改善音頻輸出，并額外增加一套輸入晶體管，這些晶體管可以實現(xiàn)對音頻信號輸入的更精細(xì)的控制。最后還不能忽視新的架構(gòu)技術(shù)。2 音響的相關(guān)知識 聲音的基本特性音量：它與聲波的物理量“振幅有關(guān)，聲波的振幅大，人耳就感覺聲音響，音量大，反之，則聲音輕，音量小，音量的大小是人耳聽音的主觀感覺。音調(diào)：是人耳對聲音調(diào)子高低的主觀感覺，聲調(diào)高低與聲音的物理量“頻率對應(yīng)。人耳的聽覺范圍：20Hz到20KHz稱之為可聽聲音，低與20Hz稱為次聲，高于20KHZ的稱為超聲，人耳對3K左右的聲音最敏感。音色：又叫音品和音質(zhì)，他是由聲音的波形決定的，電子管功放的偶次諧波多，奇次諧波少，聲音柔美，甜潤，晶體管功放奇次諧波多，聲音冷艷，清麗。 放大器的技術(shù)指標(biāo)（1）額定功率音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值的最大功率稱為額定功率，表達(dá)式：。為負(fù)載兩端的最大不失真電壓，為額定負(fù)載阻抗。測量條件如下：信號發(fā)生器輸出頻率為1KHz，電壓=20mV正弦信號。功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻(代替揚聲器)，輸入端接，逐漸增大輸入電壓，直到的波形剛好不出現(xiàn)諧波失真(r1％)，此時對應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓。測量后應(yīng)迅速減小，以免損壞功率放大器。（2）頻率響應(yīng)放大器的電壓增益對于中音頻(1KHz)的電壓增益下降3dB時所對應(yīng)的低音音頻和高音音頻稱為放大器的頻率響應(yīng)。測量條件如下：調(diào)節(jié)音量控制器使輸出電壓約為最大輸出電壓的一半，輸入端接音調(diào)控制器，使信號發(fā)生器的輸出頻率從20Hz到20KHz變化，測出負(fù)載電阻上對應(yīng)的輸出電壓。（3）輸入靈敏度使音響放大器輸入額定功率時所需要的輸入電壓(有效值)稱為靈敏度。（4）噪聲電壓使輸入為零時，輸出負(fù)載上的電壓稱為噪聲電壓。測量：使輸入端對地短路，音量電位器為最大值，用示波器觀察輸出負(fù)載的電壓波形，用交流表來測量其有效值。 功率放大器的分類A類放大器也稱為甲類放大器，靜態(tài)工作點選在負(fù)載線的中間，在輸入信號的整個周期內(nèi)電流連續(xù)地流過所有輸出器件，工作期間不產(chǎn)生開關(guān)失真和交越失真，處于良好的線性工作狀態(tài)。但電路效率較低，功率輸出管的發(fā)熱量很大，電路的安全性和可靠性設(shè)計存在問題。在理想情況下，A類放大電路的效率最高只能達(dá)到50％。當(dāng)然，這類放大器只要偏置和動態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來看，可認(rèn)為它是一種優(yōu)質(zhì)的線性放大器，具有良好的聲音表現(xiàn)能力。A類放大器結(jié)構(gòu)可稱為壓控電流源模型(VCCS：Voltage Controlled Current Source)，本質(zhì)上是一個單獨的源極跟隨器。簡化電路圖如圖21所示。圖21 A類放大器原理圖A類放大器的工作偏置點如圖22所示，在一個完整的信號周期中，A類放大器的功率晶體管一直處于線性放大狀態(tài)，即導(dǎo)通角為=180176。(在一個信號周期內(nèi)，導(dǎo)通角度的一半定義為導(dǎo)通角)。A類放大器的偏置電流大于輸入電流，Q點(靜態(tài)偏置點)處于負(fù)載線的中心。輸出負(fù)載的平均功率為：電源輸入功率為：工作效率為：圖22 A類放大器的固定偏置點由上式可見，當(dāng)且時，A類放大器具有最大工作效率，為25％。由于A類放大器效率較低，在實際應(yīng)用中，當(dāng)輸入信號功率大于1W時，一般不采用A類放大器。A類放大器的優(yōu)點是線性度最好，失真最小。A類功放輸出級中兩個(或兩組)晶體管永遠(yuǎn)處于導(dǎo)電狀態(tài)，也就是說不管有無信號輸入它們都保持傳導(dǎo)電流，并使這兩個電流等于交流電的峰值，這時交流電在最大信號情況下流入負(fù)載。當(dāng)無信號時，兩個晶體管各流通等量的電流，因此在輸出中心點上沒有不平衡的電流或電壓，故無電流輸入揚聲器。當(dāng)信號趨向正極時，線路上方的輸出晶體管容許流入較多的電流，下方的輸出晶體管則相對減少電流，由于電流開始不平衡，于是流入揚聲器而且推動揚聲器發(fā)聲。A類功放的工作方式具有最佳的線性度，每個輸出晶體管均放大信號全波，完全不存在交越失真(Switching Distortion)，即使不使用負(fù)反饋，它的開環(huán)失真仍十分低，因此被稱為聲音最理想的放大線路設(shè)計。但這種設(shè)計有利有弊，A類功放最大的缺點是效率低，因為無信號時仍有滿電流流入，電能全部轉(zhuǎn)為高熱量。當(dāng)信號電平增加時，有些功率可進(jìn)入負(fù)載，但許多仍轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。A類功放是重播音樂的理想選擇，它能提供非常平滑的音質(zhì)，音色圓潤溫暖，高音透明開揚，這些優(yōu)點足以補償它的缺點。A類功放發(fā)熱量驚人，為了有效處理散熱問題，A類功放必須采用大型散熱器。因為它的效率低，供電器一定要能提供充足的電流。一部25W的A類功放供電器的能力至少夠100瓦AB類功放使用。所以A類功放的體積和重量都比AB類大，這使得制造成本增加，售價也較貴。一般而言，A類功放的售價約為同等功率AB類功放的兩倍或更多。A類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q設(shè)定在負(fù)載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25％，且有較大的非線性失真。由于效率比較低，現(xiàn)在設(shè)計基本上不再使用。B類放大器也稱為乙類放大器，其中功率器件導(dǎo)通時間不再是輸入信號的整個周期，而是半個周期。在沒有信號輸入時，功率損失為零。工作原理就是把A類放大器靜態(tài)工作點Q下移，使輸入信號為零時電源輸出的功率也等于零；輸入信號增大時電源供給的功率也隨之增大，這樣電源供給功率和管耗都隨著輸出功率的大小而改變，也就改善了A類放大時效率低的狀況，完全輸出理論值為78．5％。其簡化電路如圖23所示。圖23 B類放大器原理圖B類放大器是一種互補式輸出結(jié)構(gòu)，兩個晶體管不能同時工作，每個晶體管工作半個周期，導(dǎo)通角=90176。，其工作偏置點如圖24所示。設(shè)輸出信號為，可得輸出負(fù)載的平均功率為：電源輸入功率為：圖24 B類放大器的固定偏置點工作效率為： 由上式子可見，當(dāng)時，B類放大器具有最大工作效率，為：可見，B類放大器的最大工作效率大于A類放大器，其晶體管的靜態(tài)偏置電流為零。B類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有DC偏置電流，所以功耗大大減少。其輸出晶體管是以推拉方式獨立控制，從而允許高端晶體管為揚聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負(fù)電流。由于只有信號電流流過晶體管，因而減少了輸出級功耗。B類功放的工作方式是當(dāng)無信號輸入時，輸出晶體管不導(dǎo)電，所以不消耗功率。當(dāng)有信號時，每對輸出管各放大一半波形，彼此一開一關(guān)輪流工作完成一個全波放大，在兩個輸出晶體管輪換工作時便發(fā)生交越失真，因此造成非線性。但是B類放大器電路的音質(zhì)較差，因為當(dāng)輸出電流過零點和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時會造成線性誤差(交越失真)，由于在信號非常低時失真十分嚴(yán)重，所以交越失真令聲音變得粗糙。B類功放的效率平均約為75％，產(chǎn)生的熱量較A類功放低，容許使用較小的散熱器。與前兩類功放相比，AB類功放可以說是在性能上的妥協(xié)。AB類放大器是A類放大器和B類放大器的組合折衷，它也使用DC偏置電流，但它遠(yuǎn)小于單純的A類放大器。小的DC偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質(zhì)。其功耗介于A類放大器和B類放大器之間，但通常更接近于B類放大器。晶體管工作時間大于半個周期但小于一個周期，即導(dǎo)通角在90176。到180176。之間。大部分時間只有一個晶體管工作，在零交越點時，兩個晶體管都工作。AB類放大器的最大優(yōu)點是改善了B類放大器的非線性，消除了交越失真。圖25 AB類放大器原理圖圖26 AB類放大器的固定偏置點如圖25所示，AB類放大器通過兩個偏置電壓來避免交越失真。由于這一優(yōu)點，AB類放大器在傳統(tǒng)的音頻放大器中得到了廣泛應(yīng)用。工作偏置點如圖26所示，當(dāng)輸入信號為零時，由于此時兩個晶體管仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此每一個晶體管的功率損耗均大于B類放大器，即AB類放大器的最大工作效率小于B類放大器，但大于A類放大器。與B類放大器電路類似，AB類放大器也需要一些控制電路以使其提供或吸收大的輸出電流。遺憾的是，即使是精心設(shè)計的AB類放大器也有很大的功耗，因為其中等范圍的輸出電壓通常遠(yuǎn)離正電源或負(fù)電源。由于漏源極之間的電壓降很大，所以會產(chǎn)生很大的瞬時功耗IDSVDS。AB類功放通常有兩個偏壓，在無信號時也有少量電流通過輸出晶體管。它在信號小時用A類工作模式，獲得最佳線性，當(dāng)信號提高到某一電平時自動轉(zhuǎn)為B類工作模式以獲得較高的效率。普通機10瓦的AB類功放大約在5瓦以內(nèi)用A類工作，由于聆聽音樂時所需要的功率只有幾瓦，因此AB類功放在大部分時間是用A類功放工作模式，只有在出現(xiàn)音樂瞬態(tài)強音時才轉(zhuǎn)為B類。這種設(shè)計可以獲得優(yōu)良的音質(zhì)并提高效率減少熱量，是一種頗為合乎邏輯的設(shè)計。有些AB類功放將偏置電流調(diào)得很高，令其在更寬的功率范圍內(nèi)以A類工作，使聲音接近純A類機，但產(chǎn)生的熱量也相對增加。C類功放的原理圖如圖27所示，是負(fù)載，電感L和電容C是匹配網(wǎng)絡(luò)，它們與負(fù)載共同組成并聯(lián)諧振回路。通過調(diào)節(jié)電容C，使回路諧振在輸入信號頻率上。圖27 C類放大器原理圖在C類功放中，柵極的偏壓使得晶體管在小于一半的時間內(nèi)導(dǎo)通。因此，漏極電流是由周期性的一串脈沖構(gòu)成的。當(dāng)驅(qū)動信號足夠強時，晶體管會進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，輸出與輸入信號同頻率的脈沖信號，晶體管以信號頻率對電源進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出信號相對于輸入信號會產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，因為包含了輸入信號的很多諧波成分，必須通過濾波器從輸出信號中分離出輸入頻率；另一方面，C類功率放大器能通過調(diào)整導(dǎo)通角，來獲得所需的諧波成分。C類功放的實際效率可以達(dá)到60％80％。其工作偏置點如圖28所示。圖28 C類放大器的固定偏置點通過控制開關(guān)單元的ON/OFF來驅(qū)動揚聲器的放大器稱為D類放大器。數(shù)字功率放大器分為兩種類型。第一類的數(shù)字式功率放大器是在同一機箱內(nèi)裝以數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器、音量控制電路以及普通的模擬功率放大器。此類數(shù)字式功率放大器在由數(shù)字音源輸入數(shù)字信號后，即由其數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器將信號變換為模擬信號，再由模擬功率放大器對模擬信號進(jìn)行放大，這類放大器的控制采用數(shù)字電路，可進(jìn)行遙控，但受數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器精度所限，音質(zhì)還不夠完美。這類功率放大器稱為準(zhǔn)數(shù)字放大器或數(shù)控放大器。第二種數(shù)字功率放大器為真正意義上的數(shù)字型功率放大器。這種放大器直接從數(shù)字音頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)功率放大而不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，這