A/B、AB類與D類放大器的較量

D類放大器首次提出于1958年，但得益于數(shù)字音響技術(shù)的發(fā)展，使得它的很多優(yōu)點(diǎn)都被展現(xiàn)出來，因而現(xiàn)在已經(jīng)流行起來了。那么同其它類型的放大器相比，它有什么與眾不同的地方呢？請(qǐng)往下看~

D類放大器的優(yōu)點(diǎn)在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級(jí)包含提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的晶體管。實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型包括A類放大器，AB類放大器和B類放大器。

與D類放大器設(shè)計(jì)相比較，即使是最有效的線性輸出級(jí)，它們的輸出級(jí)功耗也很大。這種差別使得D類放大器在許多應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈凸漠a(chǎn)生熱量較少，節(jié)省印制電路板（PCB）面積和成本，并且能夠延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。此外，它的能量轉(zhuǎn)換效率高。體積相對(duì)來說也比較小，因此可靠性強(qiáng)。

A/B、AB類與D類放大器的較量

線性放大器輸出級(jí)直接連接到揚(yáng)聲器（有些情況下通過電容器連接）。如果輸出級(jí)使用雙極性結(jié)型晶體管（BJT），它們通常工作在線性方式下，具有大的集射極電壓。輸出級(jí)也可以用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）晶體管實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1. CMOS線性輸出級(jí)

功率消耗在所有線性輸出級(jí)，因?yàn)楫a(chǎn)生輸出電壓VOUT的過程中不可避免地會(huì)在至少一個(gè)輸出晶體管內(nèi)造成非零的IDS和VDS。功耗大小主要取決于對(duì)輸出晶體管的偏置方法。

A類放大器

A類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用一只晶體管作為直流（DC）電流源，能夠提供揚(yáng)聲器需要的最大音頻電流。它的輸出級(jí)可以提供優(yōu)良的音質(zhì)，但由于輸出級(jí)晶體管上往往流過很大的DC偏置電流且無法使用，因此會(huì)產(chǎn)生過大的功耗耗散。

B類放大器

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(dú)立控制，從而允許高端晶體管為揚(yáng)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(hào)電流流過晶體管，因而減少了輸出級(jí)功耗。但是B類放大器電路的音質(zhì)較差，因?yàn)楫?dāng)輸出電流過零點(diǎn)和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時(shí)會(huì)造成線性誤差（交越失真）。

AB類放大器

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。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。

不幸的是，即使是精心設(shè)計(jì)AB類放大器也有很大的功耗，因?yàn)槠渲械确秶妮敵鲭妷和ǔ＿h(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(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)功耗LDS×VDS。

D類放大器

D類放大器由于具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖2），其功耗遠(yuǎn)小于上面任何一類放大器。D類放大器的輸出級(jí)在正電源和負(fù)電源之間切換從而產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因?yàn)楫?dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時(shí)具有零電流，并且在導(dǎo)通時(shí)具有很低的VDS，因而產(chǎn)生較小的功耗LDS×VDS。

圖2. D類開環(huán)放大器框圖

D類放大器的輸出級(jí)在正電源和負(fù)電源之間切換從而產(chǎn)生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因?yàn)楫?dāng)輸出晶體管在不導(dǎo)通時(shí)具有零電流，并且在導(dǎo)通時(shí)具有很低的VDS，因而產(chǎn)生較小的功耗LDS×VDS。

由于大多數(shù)音頻信號(hào)不是脈沖串，因此必須包括一個(gè)調(diào)制器將音頻輸入轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號(hào)和與調(diào)制過程相關(guān)的重要的高頻能量。經(jīng)常在輸出級(jí)和揚(yáng)聲器之間插入一個(gè)低通濾波器以將電磁干擾（EMI）減至最小，并且避免以太多的高頻能量驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。為了保持開關(guān)輸出級(jí)的功耗優(yōu)點(diǎn)，要求該濾波器（見圖3）是無損的（或接近于無損）。低通濾波器通常采用電容器和電感器，只有揚(yáng)聲器是耗能元件。

圖3. 差分開關(guān)輸出級(jí)和LC低通濾波器

圖4是A類放大器和B類放大器輸出級(jí)功耗（PDISS）的理想值與 AD1994 D類放大器輸出級(jí)功耗的測(cè)量值的比較。圖中的曲線是指給定的音頻正弦波信號(hào)的輸出級(jí)功率與揚(yáng)聲器提供的負(fù)載功率（PLOAD）之間的關(guān)系。其中負(fù)載功率相對(duì)最大負(fù)載（PLOAD max）功率水平歸一化，箝位的正弦波信號(hào)保證10%總諧波失真（THD）。圖中的垂直線表示PLOAD開始箝位的位置。

圖4. A類、B類放大器和D類放大器輸出級(jí)的功耗比較

可以看出，對(duì)于多種負(fù)載其功耗明顯不同，尤其是在高端和中端值負(fù)載條件下。在箝位開始之初，D類放大器輸出級(jí)的功耗約是B類放大器的1/2.5，是A類放大器的1/27。應(yīng)當(dāng)注意，消耗在A類放大器輸出級(jí)的功率比傳遞到揚(yáng)聲器的功耗大，這是使用大的DC偏置電流的結(jié)果。

功耗和功率效率的差異在中等功率水平處很大。這對(duì)于音頻很重要，因?yàn)榇笠袅恳魳返拈L(zhǎng)期平均功率水平要比達(dá)到PLOAD max的瞬時(shí)峰值水平低很多（為其1/5到1/20，取決于音樂類型）。因而，對(duì)于音頻放大器，[PLOAD = 0.1×PLOAD max] 是一個(gè)合理的平均功率水平，按照這個(gè)功率水平評(píng)估PDISS。在這個(gè)功率水平，D類放大器輸出級(jí)的功耗是B類放大器的1/9，是A類放大器的1/107。

對(duì)于10 W PLOAD max的音頻放大器，1 W的平均PLOAD認(rèn)為是保真音頻功率水平。在這種條件下，D類放大器輸出級(jí)內(nèi)部功耗為282 mW，對(duì)于B類放大器為2.53 W，對(duì)于A類放大器為30.2 W。在這種情況下，D類放大器的效率從高功率條件下的90%減少到78%。但即使是78%也要遠(yuǎn)優(yōu)于B類放大器和A類放大器，它們的效率分別為28%和3%。

對(duì)于1 W以上的功率水平，線性輸出級(jí)的過大的功耗要求采用有效的散熱方法以避免不可接受的發(fā)熱，通常是使用大金屬板作為散熱板，或用風(fēng)扇促進(jìn)放大器空氣散熱。如果放大器是集成電路（IC），就可能需要大尺寸、高成本的增強(qiáng)散熱封裝以促進(jìn)熱傳導(dǎo)。這些考慮在消費(fèi)類產(chǎn)品中很麻煩，例如平板電視，其印制電路板面積（PCB）面積很寶貴，或汽車音響，其發(fā)展趨勢(shì)是在固定空間內(nèi)增加通道數(shù)。

“對(duì)于1 W以下的功率水平，處理浪費(fèi)的功率可能比處理散熱還困難。如果是電池供電，線性放大器輸出級(jí)消耗電池電荷要比D類放大器快。在上面的例子中，D類放大器輸出級(jí)耗費(fèi)的電源電流是B類放大器的1/2.8，是A類放大器的1/23.6，因此它們用于蜂窩電話，PDA和MP3播放器等產(chǎn)品在電池的壽命方面有很大差別。”

迄今為止，為了簡(jiǎn)單起見，只是專門注重放大器輸出級(jí)的分析。但是當(dāng)考慮放大器系統(tǒng)中所有功耗時(shí)，線性放大器要比低輸出功率D類放大器更有利，原因是在低功率水平條件下，產(chǎn)生和調(diào)制開關(guān)波形所需要的功率會(huì)很大。

精心設(shè)計(jì)的低中功率的AB類放大器的寬系統(tǒng)靜態(tài)功耗優(yōu)勢(shì)使得它們可與D類放大器相競(jìng)爭(zhēng)。不過對(duì)于考慮寬的輸出功率范圍，毫無疑問D類放大器具有低功耗優(yōu)勢(shì)。學(xué)完本文，大家對(duì)各類放大器是否已經(jīng)了然于胸了呢？當(dāng)然，若有不對(duì)之處，歡迎大家補(bǔ)充噢~