D類音頻功率放大器詳解

音頻功率放大器在每個(gè)產(chǎn)生可聽(tīng)聲音的系統(tǒng)中都起著至關(guān)重要的作用。幾十年來(lái)，放大器一直使用模擬(A類和AB類)設(shè)計(jì)來(lái)生產(chǎn)，這種設(shè)計(jì)效率非常低，導(dǎo)致產(chǎn)品體積龐大、笨重且相當(dāng)昂貴。

如今模擬音頻電源轉(zhuǎn)換的創(chuàng)新周期已經(jīng)成熟，幾乎沒(méi)有任何任何技術(shù)難度就可以實(shí)現(xiàn)，這就是D類音頻功率放大器發(fā)揮作用的地方。 D類功率放大器技術(shù)才剛剛開(kāi)始發(fā)展，這些技術(shù)具有提供更高效率和音頻性能的巨大潛力，使音頻產(chǎn)品更可靠、質(zhì)量更高、尺寸更小、成本更低。

什么是D類功率放大器?

D類功放最早是由英國(guó)科學(xué)家Alec Reeves于1950年發(fā)明的。近年來(lái)，D類功率放大器的需求不斷上升，并以其高效率在音樂(lè)領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，D類功率放大器就是一種電子放大器，也稱為功率開(kāi)關(guān)放大器，工作于脈寬調(diào)制，它將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖流。

D類功率放大器的輸出晶體管級(jí)作為電子開(kāi)關(guān)運(yùn)行，并且沒(méi)有像其他放大器那樣的線性增益。D類功率放大器通過(guò)接收傳入的模擬輸入信號(hào)并生成PWM或PDM 開(kāi)始工作。然后它將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖流。這是一種主要放大MOSFET和晶體管的放大器，因此，可以說(shuō)一個(gè)典型的D類功放由兩個(gè)輸出MOSFET、一個(gè)脈寬調(diào)制器和一個(gè)外部低通濾波器組成，用于恢復(fù)放大的音頻。

與AB類功率放大器中使用的會(huì)導(dǎo)致功率晶體管能量損失的線性功率調(diào)節(jié)不同，D類放大器使用僅在“開(kāi)”或“關(guān)”兩個(gè)階段工作的開(kāi)關(guān)晶體管。晶體管上幾乎沒(méi)有能量損失，幾乎所有的功率都傳輸?shù)綋Q能器。因此，與A類、B類和AB類放大器相比，D音頻放大器的效率可高達(dá)90-95%，而AB放大器的最大效率僅為60-65%。效率與失真圖對(duì)比如下圖所示：

D類功率放大器工作原理

眾所周知，D類放大器與脈沖寬度調(diào)制(PWM)或脈沖密度調(diào)制(PDM)一起工作。因此，通過(guò)使用脈沖寬度或脈沖密度，它為揚(yáng)聲器創(chuàng)建了一個(gè)相等的模擬輸出級(jí)，而不是傳統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換。它放大的設(shè)備通常是MOSFET或晶體管，它們作為電子開(kāi)關(guān)運(yùn)行。

D類放大器在開(kāi)始工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列固定幅度的矩形脈沖，它的面積和間隔，或每單位時(shí)間的數(shù)量不同。此外，模擬音頻輸入流的幅度變化也由這些脈沖表示，而且將調(diào)制器時(shí)鐘與輸入的數(shù)字音頻輸入信號(hào)同步也是可行的，因此無(wú)需將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。調(diào)制器的輸出級(jí)通過(guò)交替打開(kāi)和關(guān)閉輸出晶體管來(lái)控制它們的操作。確保這對(duì)晶體管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通是很重要的。如果它一起導(dǎo)電，就會(huì)發(fā)生通過(guò)晶體管的電源軌之間的短路。脈寬調(diào)制波形圖如下所示：

由于晶體管要么完全“開(kāi)啟”，要么完全“關(guān)閉”，它們?cè)诰€性區(qū)停留的時(shí)間很短，并且在此期間它們的功耗非常低，這是其高效率的主要因素。這意味著它比A類放大器、B類放大器、AB類和C類放大器具有更高的效率。

另外，由電感器和電容器組成的基本低通濾波器為音頻信號(hào)的低頻引導(dǎo)路徑，同時(shí)將高頻脈沖留在后面。有時(shí)，在成本敏感的應(yīng)用中會(huì)省略輸出級(jí)濾波器。

D類放大器的優(yōu)點(diǎn)

高效率;D類功放的最大優(yōu)勢(shì)在于其高效率。它還提供低熱功耗、令人難以置信的性能、提供出色的輸出，并可用于多種用途。而且D類放大器的重量小于A、B或AB放大器。對(duì)于便攜式擴(kuò)聲結(jié)構(gòu)設(shè)備和低音放大器，這是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。

應(yīng)用廣泛;D類功率放大器具有廣泛的應(yīng)用范圍和較低的最小連接負(fù)載。此外，無(wú)論負(fù)載電容如何，電池轉(zhuǎn)換率都保持不變。

清晰的聲音;D類功放缺少高中頻，可以進(jìn)行相對(duì)頻率調(diào)整，聲音非常清晰，聲像定位相當(dāng)準(zhǔn)確。

可批量生產(chǎn);D類功率放大器非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。只要元件放置正確，就可以保證產(chǎn)品的一致性，免去制造過(guò)程中的調(diào)試，安全可靠。

多功能;D類放大器可以直接進(jìn)行群控、遙控、監(jiān)聽(tīng)等操作，無(wú)需任何其他設(shè)備。

省電;與A類、B類和AB類等其他放大器相比，D類放大器的功率效率更高。一個(gè)結(jié)構(gòu)良好的D類放大器永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生低于90%的效率，同時(shí)將真正的揚(yáng)聲器作為負(fù)載作為AB放大器。由于D類放大器的高效性，它們需要更小的散熱器和電源。因此，D類放大器比模擬放大器輕得多，這也是D類放大器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

D類放大器的缺點(diǎn)

沒(méi)有特定的開(kāi)關(guān);D類功率放大器沒(méi)有特定的開(kāi)關(guān)，如果安裝的功率晶體管和其他組件沒(méi)有正確匹配，整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量就會(huì)失敗。

潛在功率波動(dòng);在D類放大器的初始連接和最終關(guān)斷過(guò)程中，功率晶體管接近地的電位會(huì)發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致噪聲增加。

盲區(qū);D類功率放大器輸出電路可能包含盲區(qū)。

聲音或不悅耳;有些人不喜歡D類放大器發(fā)出的聲音，因?yàn)樗?tīng)起來(lái)非常數(shù)字化。當(dāng)然，這個(gè)因人而異。

盡管D類放大器具有上述缺點(diǎn)，但由于其小尺寸和高效率，它是現(xiàn)在音頻放大器的趨勢(shì)。優(yōu)點(diǎn)很多，缺點(diǎn)不會(huì)造成使用上的大問(wèn)題，可以忽略不計(jì)。

為什么家庭立體聲系統(tǒng)會(huì)選擇D類放大器?

當(dāng)為家庭立體聲系統(tǒng)尋找最佳音頻放大器時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)大部分放大器都是由D類放大器制成的。它幾乎普遍用于家庭影院立體聲系統(tǒng)。因?yàn)樗哂泻?jiǎn)單的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定的性能以及與其他放大器相比要小得多的尺寸。另一個(gè)原因是它最適合無(wú)線環(huán)繞聲揚(yáng)聲器或藍(lán)牙環(huán)繞系統(tǒng)。如果不想從音頻系統(tǒng)中聽(tīng)到任何聲音失真，例如咔嗒聲、爆裂聲或嘶嘶聲，那么選擇D類功率放大器將是正確決定。D類放大器聽(tīng)起來(lái)更體面，并以其高效率而聞名。

現(xiàn)代D類放大器采用無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此任何人都可以通過(guò)藍(lán)牙、WIFI和Airplay無(wú)線傳輸他們喜愛(ài)的音樂(lè)，而且還可以通過(guò)放大器無(wú)線控制整個(gè)房屋音頻的連接?，F(xiàn)代D類放大器可增強(qiáng)揚(yáng)聲器和低音炮的性能，將揚(yáng)聲器播放得響亮而清晰，并確保錄音音質(zhì)。考慮到所有事實(shí)以及與其他放大器的比較，D類放大器最適合家庭立體聲系統(tǒng)。

總結(jié)

D類功率放大器屬于音頻放大器類型，其中MOSFET等電源管理器件用作電子開(kāi)關(guān)。由于這些放大設(shè)備作為完美的開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行，因此在零輸入情況下的相位轉(zhuǎn)換期間不會(huì)浪費(fèi)任何功率和時(shí)間。與A類、AB類和B類等其他拓?fù)湎啾?，?duì)D類放大器的需求(例如最小功耗)允許D類在多種應(yīng)用中使用。

現(xiàn)實(shí)情況是，如今D類功放技術(shù)越來(lái)越多地被用于大型公共廣播、語(yǔ)音增強(qiáng)，并且有效代替現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲系統(tǒng)中傳統(tǒng)上笨重且效率低下的功率放大器。