音頻功率放大器無所不在，有音樂響起的地方就會(huì)有音頻放大器的身影，一代代的電子工程師在這個(gè)領(lǐng)域辛勤耕耘撒播智慧。音頻放大器是要以一定的音量和功率在揚(yáng)聲器或耳機(jī)上真實(shí)、高效的重現(xiàn)聲音信號(hào)。真實(shí)和高效一直是功率放大器領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的源動(dòng)力。音頻頻率范圍約為20Hz～20kHz，要求放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)；根據(jù)輸出功率不同，放大器可以被細(xì)分為不同的輸出功率規(guī)格，比如從幾百mW的耳機(jī)放大器到2W左右應(yīng)用于便攜設(shè)備的小功率放大器，再到10W、20W的家庭音響用中功率、大功率放大器。

AB類放大器是當(dāng)今最常用的音頻功率放大器。其不同于最早的A類或B類放大器的區(qū)別在于，AB類放大器采用互補(bǔ)輸出級(jí)，通過在輸出端加一定的偏置電流以防止交越失真，從而能夠在提升A類放大器效率的基礎(chǔ)上，提供良好的音質(zhì)。但它仍是一種線性放大器，輸出級(jí)晶體管工作在線性放大狀態(tài)，為負(fù)載提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流。輸出晶體管工作在線性狀態(tài)下，源極、漏極之間的壓降很大。輸出晶體管的瞬時(shí)功耗可表示為VDS× IDS，會(huì)有相當(dāng)多的能量將消耗在輸出晶體管上，轉(zhuǎn)化為熱量。即使最有效的AB類放大器，其效率通常也只在60~70%左右。

D類放大器采用一種全新的工作方式，其輸出級(jí)晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，輸出端在正電源和負(fù)電源之間切換產(chǎn)生一串電壓脈沖。當(dāng)輸出晶體管不導(dǎo)通時(shí)，輸出級(jí)不消耗任何電流。輸出級(jí)晶體管導(dǎo)通電阻通常在0.2Ω，因此導(dǎo)通時(shí)VDS很低，晶體管上的功耗（VDS×IDS）也很小。低功耗的開關(guān)工作方式使得D類放大器在許多應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)顯著，如可以節(jié)省印制電路板上用于散熱的金屬面積，可以省去專用的散熱片，并能夠延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的電池使用時(shí)間。

D類放大器工作時(shí)，首先必須將輸入音頻信號(hào)調(diào)制成一串電壓脈沖。現(xiàn)今有很多方法將輸入音頻信號(hào)調(diào)制成電壓脈沖，最常用的技術(shù)是脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)。從原理上講，PWM調(diào)制是通過將輸入音頻信號(hào)與固定載波頻率的三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生一串和載波相同頻率的電壓脈沖。PWM脈沖的占空比正比于該載波周期內(nèi)音頻信號(hào)的幅度，占空比的變化即包含了輸入音頻信號(hào)的變化。由于載波頻率通常在音頻信號(hào)的10倍以上，從頻譜上分析，PWM調(diào)制在音頻范圍內(nèi)是無失真的。

通常D類放大器輸出端通過一個(gè)LC濾波器連接至揚(yáng)聲器上。LC濾波器用于濾除電壓脈沖信號(hào)中的高頻部分，重建音頻信號(hào)。我們知道，揚(yáng)聲器本身具有一定的頻響范圍，人耳基本上也不敏感音頻頻率范圍以外的信號(hào)，從這個(gè)角度來講，LC濾波器完全可以從D類放大器中刪去。讓我們看一下刪去LC濾波器后會(huì)發(fā)生什么情況。在沒有任何音頻輸入信號(hào)時(shí)，比較器會(huì)產(chǎn)生一串50%占空比的脈沖，該脈沖直接加在揚(yáng)聲器兩端，在揚(yáng)聲器內(nèi)部被濾波后重建至零輸入的直流狀態(tài)。這個(gè)過程會(huì)在揚(yáng)聲器的阻性負(fù)載上產(chǎn)生很大的功耗，降低了放大器的效率。

三電平H橋輸出結(jié)構(gòu)完全可以省去LC濾波器。在三電平H橋輸出結(jié)構(gòu)中，輸入音頻信號(hào)及其反相信號(hào)同時(shí)和三角波比較，產(chǎn)生兩串不同的電壓脈沖加在H橋的兩個(gè)半橋上。兩串電壓脈沖的差分脈沖是實(shí)際加在揚(yáng)聲器兩端的電壓脈沖。我們同樣看一下沒有任何音頻輸入信號(hào)時(shí)的情況。沒有輸入信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生的兩串電壓脈沖同相且均為50%占空比，不會(huì)有任何差分脈沖產(chǎn)生，也就不會(huì)有任何功率損耗。當(dāng)輸入信號(hào)正向變大時(shí)，產(chǎn)生一串正向差分脈沖，揚(yáng)聲器上會(huì)有正向電流流過；當(dāng)輸入信號(hào)反向變大時(shí)，則產(chǎn)生一串反向差分脈沖，揚(yáng)聲器上會(huì)有反向電流流過。揚(yáng)聲器上的電流是在輸入信號(hào)變化時(shí)根據(jù)需要產(chǎn)生的，并不會(huì)有多余的功耗被損失掉。

實(shí)際的電路中，輸出級(jí)和驅(qū)動(dòng)電路總會(huì)包含種種的不理想因素，導(dǎo)致放大器輸出產(chǎn)生非線性失真。首先，輸出級(jí)晶體管具有非常低的導(dǎo)通電阻，如果上下兩個(gè)輸出級(jí)晶體管同時(shí)導(dǎo)通，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從VDD到VSS的低阻路徑通過晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。在電壓脈沖由高變低或由低變高時(shí)，極容易發(fā)生輸出級(jí)晶體管同時(shí)導(dǎo)通的情況。因此，避免輸出級(jí)晶體管同時(shí)導(dǎo)通很重要。為防止該情況發(fā)生，必須在一個(gè)晶體管導(dǎo)通之前先強(qiáng)制將兩個(gè)晶體管都關(guān)斷。兩個(gè)晶體管都關(guān)斷的時(shí)間間隔稱為死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間會(huì)改變?cè)糚WM脈沖的占空比，并導(dǎo)致放大器輸出產(chǎn)生失真。設(shè)計(jì)中通常采用最短的死區(qū)時(shí)間，既防止輸出晶體管同時(shí)導(dǎo)通，又能將失真盡可能的減小。另外，輸出脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間不匹配，以及輸出級(jí)晶體管驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)不匹配，同樣會(huì)改變?cè)糚WM脈沖的占空比，進(jìn)而同樣在放大器輸出上產(chǎn)生失真。

讓我們?cè)倏匆幌虏シ乓魳窌r(shí)電源上會(huì)發(fā)生什么情況。電源通過0.2Ω電阻的輸出級(jí)晶體管直接連接至揚(yáng)聲器。實(shí)際的電源總是存在一定的內(nèi)阻，在播放音樂時(shí)，電源上會(huì)產(chǎn)生兩倍于信號(hào)頻率的紋波，紋波幅度會(huì)隨電源內(nèi)阻大小不同而不同。該紋波通過0.2Ω電阻的輸出級(jí)晶體管直接耦合到揚(yáng)聲器，在輸出信號(hào)中產(chǎn)生偶次音頻噪聲。從電路角度來看，這種音頻噪聲來自于較差的電源抑制比性能，即通過電源耦合，電源紋波會(huì)在放大器輸出上產(chǎn)生高階偶次失真。

發(fā)布者：小宇