D類功放

在音響領域裡人們一直堅守著A類功放的陣地。認為A類功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。但是，A類功放的低效率和高損耗卻是它無法克服的先天頑疾。B類功放雖然效率提高很多，但實際效率僅為50%左右，在小型攜帶型音響設備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統和專業超大功率功放場合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，效率極高的D類功放，因其符合綠色革命的潮流正受著各方面的重視。由於集成電路技術的發展，原來用分立元件製作的很複雜的調製電路，現在無論在技術上還是在價格上均已不成問題。而且近年來數字音響技術的發展，人們發現D類功放與數字音響有很多相通之處，進一步顯示出D類功放的發展優勢。

D類功放是放大元件處於開關工作狀態的一种放大模式。無信號輸入時放大器處於截止狀態，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進入飽和狀態，晶體管相當於一個接通的開關，把電源與負載直接接通。理想晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性有關，而與信號輸出的大小無關，所以特別有利於超大功率的場合。在理想情況下，D類功放的效率為100%，B類功放的效率為78.5%，A類功放的效率才50%或25%（按負載方式而定）。

D類功放實際上具有開關功能，早期僅用於繼電器和電機等執行元件的開關控制電路中。然而，開關功能（也就是產生數字信號的功能）隨著數字音頻技術研究的不斷深入，用與Hi-Fi音頻放大的道路卻日益暢通。20世紀60年代，設計人員開始研究D類功放用於音頻的放大技術，70年代Bose公司就開始生產D類汽車功放。一方面汽車用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無法放入有大散熱板結構的功放，兩者都希望有D類這樣高效的放大器來放大音頻信號。其中關鍵的一步就是對音頻信號的調製。

第一部分為調製器，最簡單的只需用一隻運放構成比較器即可完成。把原始音頻信號加上一定直流偏置後放在運放的正輸入端，另通過自激振蕩生成一個三角形波加到運放的負輸入端。當正端上的電位高於負端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零、直流偏置三角波峰值的1/2，則比較器輸出的高低電平持續的時間一樣，輸出就是一個占空比為二分之一的方波。當有音頻信號輸入時，正半周期間，比較器輸出高電平的時間比低電平長，方波的占空比大於二分之一；負半周期間，由於還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大於零，但音頻信號幅度高於三角波幅度的時間卻大為減少，方波占空比小於二分之一。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈衝寬度被音頻信號幅度調製后的波形，稱為PWM（Pulse Width Modulation脈寬調製）或PDM（Pulse Duration Modulation脈衝持續時間調製）波形。音頻信息被調製到脈衝波形中。

第二部分就是D類功放，這是一個脈衝控制的大電流開關放大器，把比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號。能夠輸出的最大功率由負載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。

第三部分需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。方法很簡單，只需要用一個低通濾波器。但由於此時電流很大，RC結構的低通濾波器電阻會耗能，不能採用，必須使用LC低通濾波器。當占空比大於二分之一的脈衝到來時，C的充電時間大於放電時間，輸出電平上升；窄脈衝到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相一致，所以原音頻信號被恢復出來。

D類功放設計考慮的角度與AB類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太大意義，更重要的開關響應和飽和壓降。由於功放管處理的脈衝頻率是音頻信號的幾十倍，且要求保持良好的脈衝前後沿，所以管子的開關響應要好。另外，整機的效率全在於管子飽和壓降引起的管耗。所以，飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結構也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價格昂貴，在一定程度上限制了D類功放的發展。現在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運用於工業領域，特別是近年來UHC MOSFET已在Hi-Fi功放上應用，器件的障礙已經消除。

調製電路也是D類功放的一個特殊環節。要把20KHz以下的音頻調製成PWM信號，三角波的頻率至少要達到200KHz。頻率過低達到同樣要求的THD標準，對無源LC低通濾波器的元件要求就高，結構複雜。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加接近原波形，THD小，而且可以用低數值、小體積和精度要求相對差一些的電感和電容來製成濾波器，造價相應降低。但此時晶體管的開關損耗會隨頻率上升而上升，無源器件中的高頻損耗、射頻的聚膚效應都會使整機效率下降。更高的調製頻率還會出現射頻干擾，所以調製頻率也不能高於1MHz。

同時，三角波形的形狀、頻率的準確性和時鐘信號的抖晃都會影響到以後復原的信號與原信號不同而產生失真。所以要實現高保真，出現了很多與數字音響保真相同的考慮。

還有一個與音質有很大關係的因數就是位於驅動輸出與負載之間的無源濾波器。該低通濾波器工作在大電流下，負載就是音箱。嚴格地講，設計時應把音箱阻抗的變化一起考慮進去，但作為一個功放產品指定音箱是行不通的，所以D類功放與音箱的搭配中更有發燒友馳騁的天地。實際證明，當失真要求在0.5%以下時，用二階Butterworth最平坦響應低通濾波器就能達到要求。如要求更高則需用四階濾波器，這時成本和匹配等問題都必須加以考慮。

近年來，一般應用的D類功放已有集成電路晶元，用戶只需按要求設計低通濾波器即可。