这篇文章的类似版本出现在电子产品杂志2002年8月刊上。

介绍

耗电的线性放大器长期以来一直主导着音频世界。但随着便携式电子产品的消费者要求更小、电池寿命更长的设备，设计师们正在用高效率的设备取代传统的线性放大器。因此，切换音频找到了一个利基市场。虽然AB类放大器在音频领域占据主导地位，但D类(开关模式)放大器提供了便携式设备所需的效率和失真之间的平衡。

最简单的形式是，一个开关模式放大器由一个h桥和一个负载组成(图1)。h桥负载包括扬声器阻抗和一个无源滤波器。h桥将电流导向扬声器，LC滤波器衰减开关噪声。为了更清楚地理解为什么这种方法比传统的线性放大器更适合便携式设备，我们必须检查每种拓扑结构的优点和缺陷。在进行全面比较之前，我们首先看一下所有音频特定输出级的共同特征。

放大器通常按其输出级分类。即使具有相同的输入和增益级，具有不同输出级的放大器也表现出不同的性能和效率水平。

在常见的输出级拓扑(A、B、AB和D类)中，D类放大器的效率最高。线性输出级(A、B或AB类)在输入和输入扬声器电流时，会产生相当大的偏置电流。非线性(D类)输出级通过消除这种偏置电流来提高效率并延长电池寿命。D类的效率是以更大的噪声和失真为代价获得的。因此，在便携式设备中，允许以线性换取效率，D类放大器是最佳选择。

A类

最简单也是最有效的方法是A类拓扑结构，它由一个偏置晶体管和一个电压随动晶体管组成。由于两个晶体管都工作在有源区，因此这种电路产生的失真比任何其他类型的输出级都要低。这使得A类器件成为高保真系统的理想选择。恒定的线性是a类拓扑最大的资产，也是它的致命弱点。效率会受到影响，因为高侧晶体管会吸收可观的电流，而低侧晶体管必须一直偏置以处理峰值电流。在最大信号电平下，a级的最大效率为:

η= P   / P(供应)=(1/2)(V (CC)我(Q) / 2 V (CC)我(Q)) = 0.25或25%

此关系假定最大输出电压为V(CC)，且V(CC) = |V(EE)|。(参见《集成电路的分析与设计》，作者:Grey和Meyer)这种放大器在大功率应用中兼作空间加热器，在电池供电设备中兼作“耗油者”。

B类

与A类相比，B类拓扑以更高的失真为代价，大大提高了效率。B类放大器由两个非同时有源的晶体管组成，其最大效率为:

η = p (out)/ p (supply) = (v (cc)²/ 2r (l))/(2v (cc)²/πR(L)) = 0.78539或78.5%

同样，这个方程假设最大输出电压为V(CC)，并且V(CC) = |V(EE)|。由于这种拓扑在整个动态范围内不是线性的，因此会产生更多的失真。考虑图3中的电路和图形，其中输出级由一个NPN和一个PNP晶体管组成。当你将输入从V(EE)扫至V(CC)时，输出将通过1.4V的“死区”，此时两个晶体管都关闭。这个死区导致交叉失真。将正弦波输入应用于B级，交叉失真的影响相当于排除本文中每十个单词。

AB类

单片音频放大器中最常用的输出级拓扑是AB级。通过在B级级上添加偏置电路，AB级输出级在保持大部分B级效率的同时大幅降低了交叉失真。偏置通过确保输入在-0.7V和+0.7V之间时至少有一个输出晶体管是有效的来改善线性度(从而减少失真)。当两个晶体管同时工作时，效率(相对于B类)会下降，但这是显著提高音频性能的一个小代价。

大多数其他可用的放大器拓扑都没有很好的定义。事实上，一些制造商对不同的方案使用了类似的名称。除了A类，B类，AB类和D类，其他放大器类型要么非常深奥，要么不适用于音频放大器。新的手机设计需要更小的面积，同时保持音频声压水平。扬声器通常是限制设计厚度的组件。陶瓷或压电扬声器的新发展带来了新的挑战，G类放大器成为完美的选择。

类D

如上所述，具有相似输入和增益级的线性放大器可能具有显著不同的输出级。D类开关模式放大器，然而，完全不同，从输入到输出，从线性放大器。它更像一个开关模式电压调节器而不是放大器。MAX9701无滤波器D类音频放大器(图4)对基本开关模式放大器技术进行了几项改进。

像MAX9701这样的D类放大器提供AB类性能和D类效率。该器件独特的无滤波器调制方案、可同步的开关频率和扩频开关模式创造了一个紧凑、灵活、低噪声、高效的音频功率放大器。差分输入架构减少了共模噪声，甚至可以在没有输入耦合电容器的情况下使用。输入也可以配置为接受单端输入信号。比较器监控MAX9701输入并将互补输入电压与锯齿波形进行比较。当锯齿波的输入幅度超过其相应的输入电压时，比较器跳闸。两个比较器在第二个比较器跳闸点上升沿后的固定时间复位，从而在第二个比较器的输出端产生最小宽度脉冲(t(ON_MIN))。随着输入电压的增加或减少，一个输出端的脉冲持续时间增加，而另一个输出端的脉冲持续时间保持不变。这会导致扬声器上的净电压(V(OUT+) + V(OUT-))发生变化。最小宽度脉冲有助于器件实现高水平的线性。

非线性放大，信号重建和THD

与传统的线性放大器相比，D类放大器包括一个比较器，通过将音频输入与锯齿波进行比较来分离(即采样)音频输入。在切换期间，当锯齿波超过输入信号时，比较器输出为低信号，否则为高信号(图5)。为了清晰起见，所示的锯齿波频率与音频的频率相对接近，但通常远大于音频的最大频率。

对于给定的输入电平，比较器的输出是一个周期由锯齿频率决定的占空比调制方波。比较器有效地对音频输入进行采样。除频率外，放大器的动态范围还取决于本底噪声和锯齿幅值。如果在比较器的音频信号超过锯齿的幅度，所得占空比是相同的，如果信号等于锯齿。在加载时，这种情况显示为裁剪。

PWM信号控制h桥驱动器，将相反的mosfet对关断和打开，从而在单个周期内将电流反转到负载(图1)。如图1所示，音频放大器中的信号通常在电源电压中间偏置。由于没有信号存在，因此，比较器的输出占空比为50%。(这种行为将在下面关于过滤器的讨论中讨论。)

看来D类放大方法会使信号失真。毕竟，THD是电路非线性的结果，而D级将音频分解成非线性方波。输出滤波器的平均效果，然而，使D类放大器实现THD数字<1%。输出滤波器通常是二阶LC低通滤波器，截止频率设置刚好高于期望的系统音频带宽。滤波器去除高频内容从h桥方波输出，并允许放大音频通过不变。

所有低通滤波器的阻带都有有限的抑制，典型的二阶LC滤波器也不例外。少量的开关频率“流出”到负载。这通常没有后果，因为普通的音频换能器无法再现这样的频率。即使扬声器能够产生这些高频，最终用户也无法听到它们。其他滤波器非线性在其自身通带内，因此产生少量的THD和噪声。谨慎的滤波器设计可以将这些像差降低到可听水平以下。

只听你想听的，过滤掉其他的

适当的滤波器设计可以获得良好的放大器带宽和THD性能。通过衰减开关频率及其谐波，一个具有合适截止频率和滚降的滤波器提取出失真最小的音频信号。例如，一个角频率为30kHz的滤波器，通过误差小于1dB的20kHz音频信号和误差小于0.4dB的16kHz信号。对于大多数音频应用来说，这种带宽损失是可以忍受的，因为典型的成年人无法听到超过16kHz的声音。应根据给定系统的要求选择过滤器类型;巴特沃斯滤波器的平坦通带和良好的相位响应是大多数应用的好选择。

输出滤波器的设计应基于系统所需的频率响应。开关频率是一个主要因素;较低的频率施加较低的滤波器截止，反之亦然。例如，30kHz截止频率的无源、平衡、2极RLC滤波器(图6)足以满足250kHz的开关频率。当然，较低的截止频率降低了放大器带宽，但在给定的应用中这可能是可以接受的。在r o或CD播放机中，带宽损失可能是无法忍受的，但如果5kHz范围足够，声音放大的高频损失就不是问题。表1显示了一些常见音频应用的带宽和典型开关频率。

D类放大器的PWM方波输出频率超出了人耳和典型扬声器的响应。因此，耳朵的带宽和扬声器的频率响应一起作为开关频率的一个足够的滤波器。现在你可能会问，如果用高频方波驱动扬声器可以产生不错的音频质量，那么为什么D类放大器需要输出滤波器?答案是因为外部LC滤波器的元件吸收开关频率能量。如果没有滤波器，这种能量和音频信号功率都必须在扬声器中耗散。

由于D类放大器即使在没有音频信号的情况下也会继续切换并向负载提供电流，因此D类输出的高频元件可能会损坏不鲁棒的扬声器。输出滤波器还可以减少电磁干扰(EMI)，如果输出走线(或电线)很长且未屏蔽，这可能成为一个问题;如果对emi敏感的元件位于放大器附近;或者如果放大器和扬声器不在同一个机箱中。

振荡频率

在设计D类放大器时，锯齿振荡器的频率是一个重要的考虑因素。PWM输出(开关)频率决定了输出滤波器的要求和音频输入的采样率。

性能和元件尺寸之间的最佳平衡是振荡器频率至少为最大信号频率的10倍，通常为20kHz。例如，250kHz的开关频率允许中等大小的15µH电感和1µF电容器用于4欧姆负载，将输出滤波器带宽设置为30kHz。这样的滤波器充分衰减开关频率，同时允许大多数音频信号不衰减地传递到负载。对于MAX4295单声道D类音频放大器，250kHz振荡器频率和4欧姆负载产生0.3%的THD和85%的效率。

当振荡器频率小于最大音频信号的10倍时，由于放大器的采样率较低，会导致失真。对于20kHz音频输入和200kHz振荡器，输出信号重构为每个信号周期10个PWM周期。然而，对于100kHz振荡器，每个信号周期用5个PWM周期重建输出信号。虽然这种差异对于单音输入似乎微不足道，但实际音频信号的频率可能在短时间内变化很大。由于较低的采样和输出滤波器的平均效果，这种变化可以允许输入信号的一小部分被遗漏。

较低的振荡器频率不仅会增加重构误差，而且还需要较低的滤波器截止频率以充分衰减开关频率。较低的截止频率需要较大的元件值，从而占用宝贵的电路板空间并增加总体成本。较低的截止频率还通过增加高频音频信号的衰减来减小放大器的频率范围。

较低振荡器频率引起的较大失真被效率的提高所抵消。由于mosfet不经常开关，因此降低了开关损耗，从而提高了效率。(见下面关于效率的部分。)相反，频率远远超过音频输入的10倍会减小滤波器尺寸并改善失真，但会降低效率。较高的振荡器频率允许滤波器截止较高，从而充分衰减开关噪声，同时允许较小的分量值。这种情况降低了输出滤波器的成本和元件尺寸，同时扩展了放大器的频率范围。

提高采样率在一定程度上减少了失真，但比较器和桥式驱动器的转换率在高频下变得更加重要。例如，假设比较器以50V/µs的速度旋转，并且其输出从0V切换到5V, 1MHz的开关频率周期为1µs。输出占空比为50%，无论压转率如何，1µs内的平均输出电压为2.5V。将占空比降低到5%并不能使比较器的输出在输出状态改变之前有足够的时间达到5V。输出在0.05µs内上升到2.5V，然后在相同的时间内返回到0V。现在的平均输出是125mV，是预期250mV的一半。当占空比为95%时，也会出现类似的行为。因此，比较器的有限摆率导致峰值信号电平的衰减。开关频率越高，效率越低，因为器件的开关频率越高。(见下面关于效率的部分。)

理论上100%的效率

诚然，D类放大器可能比线性放大器需要更多的设计，但当存在更简单的解决方案时，它们的效率优势证明了更复杂的系统是合理的。考虑一些比较。传统线性放大器输出级的理论最佳效率为78%(如前所述)，但线性放大器只有在其峰值输出功率时才表现出这种效率。相比之下，D类放大器的输出级在其全动态范围内提供了100%的最大理论效率，THD低于1%。

D类输出级的效率归因于其晶体管的工作区域。线性放大器的输出晶体管工作在有源区，但D级的相应晶体管需要一定程度的偏置电流来缓冲电压信号并驱动电流到负载。这种偏置电流(负载不需要)会在输出晶体管中造成额外的功耗，从而降低效率。因为负载上的电压是滤波器和PWM方波(两电平电压信号)占空比的函数，输出晶体管只需要将电流“引导”到负载上。这允许输出晶体管，通常是mosfet，在其线性区域工作并绘制零偏置电流。

在D类输出级中，IR损耗(传导损耗)贡献了最大的功耗。图7显示了该级在一个工作状态下的等效电路。R(ON)为MOSFET导通电阻;R(P)是组合金属互连、键合线、引线框架和PCB走线的寄生电阻;R(F)为滤波器元件的寄生电阻;R(L)为载荷。给定这些值，该级的效率(忽略开关损耗)为:

效率=η= P   / P(供应)= ²R (L) /我 ²(2 R   + 2 (F) + R (P + R (L))

假设除负载外各组件及走线均无电阻，则D类输出级的效率为:

η= P   / P(供应)= ²R (L) /我 ²R (L) = 1或100%

由于输出功率与I(OUT)直接相关，并且I(OUT)电平不是效率方程中的一个因素，因此理论上放大器在整个动态范围内的效率为100% -与传统的线性替代方案相比，这是一个巨大的改进。

现实世界中的操作

不幸的是，理想的组件不存在，D类放大器不是100%有效。电路元件中的有限电阻是造成功率损耗的最明显因素。功率损耗的一个不太明显的来源是mosfet中的开关损耗。如前所述，mosfet在线性区域工作时就像电阻器一样。因为它们没有从关到开的瞬间转换，所以在每个周期中，它们会在有源区域停留一小段时间，在那里它们会吸收额外的电流。一个开关周期内的功率损耗(P(SWITCH))为:

P(SWITCH) = 1 / 2 f(OSC)I(OUT)²(t(ON) + t(OFF))2R(ON)

其中f(OSC)为振荡器频率，t(ON)和t(OFF)为MOSFET上升和下降时间。在1MHz频率下切换比在250kHz频率下切换消耗的功率多4倍。考虑电阻损耗和开关损耗，D类放大器的效率为:

η= P   / (P(供应)+ P(开关))=我(出)²R (L) /(我 ²(2 R   + 2 (F) + R (P + R (L)) +(1/2)F (OSC)我 ²(t(上)+ t(下))2 R(上))

根据这个方程，你可以粗略地估计D类放大器的实际效率，即RL与电路中其他电阻的比率。因此，假设R(L) = 4欧姆， f(OSC) = 250kHz, t(ON) = t(OFF) = 25ns, R(ON) = 250毫欧， R(f) = 25毫欧， R(P) = 80毫欧， η = 86.33%。可以肯定的是，这不是100%，但它比传统的线性放大器要高得多。将R(L)增加到8欧姆可使效率达到惊人的92.66%。这些百分比不包括前端电路、比较器、振荡器和驱动电路所消耗的功率。这种功率损失被忽略了，因为它相对于输出阶段的功率是低的。

对D类放大器(如MAX9701)在其大部分动态范围内驱动4欧姆负载的测量显示，效率接近85%。效率随着输出功率的增加而降低，因为静态电流相对于输出电流变得更大(图8)。

结论

大多数完全集成的开关模式放大器并不适用于高保真音频应用。相反，像MAX9701这样的设备适用于便携式、电池供电的设备，如手机、便携式r /CD/磁带播放器、MP3播放器、笔记本电脑、pda、便携式DVD播放器和移动互联网设备。这些产品的消费者被便携性和电池续航时间的承诺所吸引，而不是对令人惊叹的影院级音频体验的期望。随着便携式设备市场的持续增长和D类放大器获得认可，您可以期待看到更多具有更大灵活性和更高集成度的开关放大器。