D類放大器早在1958年就被人們提出，近年來，其應用越來越普及。D類放大器是什么？它們與其它種類的放大器相比怎么樣？為什么音頻應用鐘愛D類放大器？設計和應用一款優良的D類音頻放大器需要怎么做？下面本文嘗試回答所有這些問題。
音頻放大器基礎
音頻放大器的目標是在產生聲音的輸出單元再生輸入的音頻信號，要求輸出具有期望的音量和功率電平，再生過程忠實、有效且失真低，音頻的頻率范圍從20Hz到20kHz，所以，放大器必須在這個頻段具有良好的頻率響應(如果驅動帶限揚聲器，如重低音或高音揚聲器則較差)。功率性能隨應用的不同差異很大，從耳機的毫瓦級到電視或個人電腦的幾瓦級，乃至于微型家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦級，更為強大的家庭和商用音響系統則為幾百瓦級，為的是讓影院或禮堂充滿聲音。
音頻放大器的一種直接模擬實現方案是利用工作于線性模式的三極管來創建一個輸出電壓，該電壓完全復制輸入電壓。正向電壓增益通常非常高(至少40dB)。如果正向增益是反饋環路的一部分，整個環路增益也將很高。常常采用反饋的原因在于高環路增益改善性能——壓縮因正向路徑的非線性產生的失真，并通過提高電源抑制比(PSR)來降低電源噪聲。
D類放大器的優勢
在傳統的三極管放大器中，輸出級包含提供瞬時連續輸出電流的三極管。音頻系統有許多可能的實現方案，如A類、AB類和B類放大器，它們與D類放大器設計相比，甚至在最有效的線性輸出級，輸出級功耗也很大。這種差異讓D類放大器在許多應用中具有重要的優勢，因為較低的功耗產生較少的熱量，節省電路板空間和成本，并延長便攜式系統中的電池壽命。
線性放大器、D類放大器和功耗
線性放大器的輸出級被直接連接到揚聲器(在某些情況下通過電容)。如果在輸出級中采用了雙極結三極管(BJT)，它們通常工作在線性模式，集-射極之間的電壓較大。輸出級也可能采用MOS三極管來實現，如圖1所示。
圖1：CMOS線性輸出級
功率被耗散在所有線性輸出級，因為生成VOUT的過程不可避免地在至少一個輸出三極管上造成非零的IDS和VDS。功耗的大小高度依賴于輸出三極管所采用的偏置方法。
A類放大器的拓撲采用其中一只三極管作為直流電流源，從而為揚聲器提供所需要的最大音頻電流。采用A類輸出級有可能獲得良好的音質，但是，功耗過大，因為在輸出級的三極管中通常流過大的直流偏置電流(這是我們不希望的)，而這些電流卻沒有流過揚聲器(這是我們希望的)。
B類放大器拓撲消除了直流偏置電流且極大地降低了功耗，其輸出三極管以推拉方式分別受到控制，讓MH器件為揚聲器提供正向電流，而ML器件則吸收反向電流。這就降低了輸出級的功耗，只有信號電流流過兩個三極管。B類電路的音質稍差，因為當輸出電流過零時存在非線性行為且三極管此時正好在導通和關閉兩個狀態之間轉換。
AB類放大器混合折衷了A類和B類放大器的優勢，采用了一定的直流偏置電流，但是，比純A類設計要小。小的直流偏置足以防止出現過零失真，從而獲得良好的音質。功耗盡管在A類和B類放大器之間，通常比較接近B類放大器。為此，需要采取一些控制措施—類似于B類放大電路，以便讓AB類放大器提供或吸收大的輸出電流。
不幸的是，即使設計得非常好的AB類放大器也存在很大的功耗，因為其中等范圍的輸出電壓通常遠遠小于正電源軌或大于負電源軌。因此，大的漏-源電壓降會產生很大的IDS - VDS瞬時功耗。
由于采用不同的拓撲(圖2)，D類放大器比上述任何一類放大器的功耗都要小得多。其輸出級在正負電源之間切換，因此，產生一串電壓脈沖。這種波形對于降低功耗有好處，因為在不切換時輸出三極管的電流為零；而當導通電流時，VDS較小，因此，給出的IDS - VDS更小。
圖2：D類開環放大器的方框圖
因為大多數音頻信號不是脈沖串，所以，要采用調制器把音頻信號轉換為脈沖。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號和與調制過程有關的大量高頻能量。在輸出級和揚聲器之間通常要插入一個低通濾波器以最小化電磁干擾，并避免以太多的高頻能量來驅動揚聲器。要采用無損耗的濾波器(圖3)，以保持開關輸出級功耗低的優勢。濾波器通常采用電容和電感構成，揚聲器是唯一耗能的元件。
圖3：差分開關輸出級和LC低通濾波器
圖4給出了音頻輸出為正弦波信號的情況下，A類、B類和D類放大器的理想輸出級功耗(PDISS)與傳遞到揚聲器上的功率(PLOAD)的比較，其中D類放大器采用模擬器件公司的AD1994 D類放大器。功率的數值被歸一化為功率電平PLOAD max，其中，正弦信號被壓縮到足以引起10%的總諧波失真(THD)。垂直線表示開始壓縮時的PLOAD。
圖4：A類、B類和D類放大器輸出級的功耗比較
由此可見，在寬的負載范圍內存在巨大的功耗差。在開始壓縮時，D類輸出級的功耗大約比B類的輸出級小2.5倍，而比A類小27倍。注意：A類輸出級消耗的功率比傳遞給揚聲器的功率要更大——這是采用大的直流偏置電流的結果。
在壓縮開始時，A類放大器的Eff = 25%；B類放大器的Eff =78.5%；D類放大器的Eff =90%(見圖5)。這些最佳情況的A類和B類放大器常常被教科書所引用。
圖5：A類、B類和D類放大器的效率比較
功耗和效率的差異在中等功率電平處加大。這一點對于音頻是重要的，因為長期平均高聲音樂的電平要比瞬時電平——接近PLOAD max——低得多(小5到20倍，取決于音樂的類型)。因此，對于音頻放大器，[PLOAD = 0.1 - PLOAD max]是合理的平均功率電平，在這一點可以評估PDISS。在該電平，D類輸出級的功耗比B類的功耗小9倍，比A類的小107倍。
對于具有10-W PLOAD max的音頻放大器，1W的PLOAD可以被認為是現實的聽音電平。在這個條件下，282 mW被消耗在D類的輸出級，而B類和A類的輸出級則分別要消耗2.53 W和30.2 W。在這種情形下，D類的效率被從較高功率的90%減少到了78%。但是，即使78%也比B類和A類放大器分別28%和3%的效率要高得多。
這些差異對系統設計有重要的影響。對于1W以上的功率電平，線性輸出級的過多功耗需要很強的冷卻措施以避免無法接受的過熱，通常在放大器上要采用大塊金屬板作為散熱片或采用風扇吹空氣來帶走熱量。如果放大器以集成電路形式實現，那就需要采用大塊和昂貴的熱增強封裝以便于熱的傳遞。這些考慮在諸如平板電視和汽車音響這樣的消費產品中是繁重的，這些產品的空間非常寶貴，市場上呈現向有限的空間中添加更多功能的趨勢。
對于小于1W的功率電平，解決浪費的功率問題比解決熱生成問題更為困難。如果采用電池供電，線性輸出級比D類放大器更快地耗盡電池。在上述的實例中，D類輸出級消耗的電源電流比B類小2.8倍，比A類小23.6倍，因此，導致蜂窩電話、PDA和MP3播放器之類產品的電池壽命差異很大。
為了簡化起見，迄今為止的分析都集中在放大器的輸出級。然而，如果考慮到放大器系統中的所有功耗源，在低輸出功率電平，線性放大器比D類放大器更好。原因在于：在低電平生成和調制開關波形所需要的功率很大。因此，設計優良的AB類放大器的整個系統的靜態功耗能夠跟D類放大器媲美。然而，在較高的輸出功率范圍內，D類放大器的功耗毫無疑問是無與倫比的。
下一部分將探討D類放大器的端接、差分和單端端接方法。