D類放大：爭(zhēng)取更高的用電效益與體積

A、B類放大電路是真正的模擬放大電路，只是其效率相對(duì)較低，分別為50%和78.5%。特別在作為功放時(shí)，效率的高低直接影響到電源和功放級(jí)的散熱器體積。而D類放大電路為了提高效率，采用了調(diào)制開關(guān)和選頻濾波技術(shù)，使放大電路的效率提高到90%以上，因而從晶體管工作區(qū)域來(lái)看實(shí)際是開關(guān)狀態(tài)的。

D類放大電路有電壓開關(guān)型和電流開關(guān)型兩種，要講清楚D類放大電路工作原理，并非三言兩語(yǔ)所能為之。這里簡(jiǎn)單說(shuō)一下D類功放設(shè)計(jì)步驟：

1.確定輸出功率;

2.考慮工作頻率;

3.供電方式和調(diào)制問(wèn)題。

4.工作可靠性設(shè)計(jì)，主要考慮附加保護(hù)電路設(shè)計(jì);

一、A類(甲類)放大器，是指電流連續(xù)地流過(guò)所有輸出器件的一種放大器。 這種放大器，由于避免了器件開關(guān)所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動(dòng)態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來(lái)看，可認(rèn)為它是一種良好的線性放大器。 A類，它本質(zhì)上是一個(gè)單獨(dú)的射極跟隨器，并帶有一個(gè)有源發(fā)射極負(fù)載，以達(dá)到合適的電流泄放。這一類作為輸出級(jí)時(shí)，需要在開始設(shè)計(jì)之前就把所要驅(qū)動(dòng)的阻抗是多低搞清楚。

二、B類(乙類)放大器，是指器件導(dǎo)通時(shí)間為50%的一種工作類別。這類放大器可以說(shuō)是最為流行的一種放大器，也許目前所生產(chǎn)的放大器有99% 是屬于這一類。

三、D類(丁類)放大器，這類放大器，其特點(diǎn)是斷續(xù)地轉(zhuǎn)換器件的開通，其頻率超過(guò)音頻，可控制信號(hào)的占空比以使它的平均值能代表音頻信號(hào)的瞬時(shí)電平，這種情況被稱為脈寬調(diào)制(PWM)，其效率在理論上來(lái)說(shuō)是很高的。

但是，實(shí)際困難還是非常大的，因?yàn)?00kHz的高功率方波是不是好的出發(fā)點(diǎn)尚不清楚;從失真的角度來(lái)看，為保證采樣頻率的有效性，必須將一個(gè)陡峭截止頻率的低通濾波器插入放大器與揚(yáng)聲 器之間，以消除絕大部分的射頻成分，這至少需要4個(gè)電感(考慮立體聲)， 成本自然不會(huì)低。此外，表現(xiàn)在頻響方面，它只能對(duì)某一特定負(fù)載阻抗保證平坦的頻率響應(yīng)。

為何今日會(huì)盛行D類放大器呢?

在此我們不再詳述電路的細(xì)節(jié)運(yùn)作原理，單就結(jié)果特性來(lái)說(shuō)明，A類放大具有最佳的信號(hào)傳真性(電壓波形幾乎無(wú)失真)，但卻相當(dāng)耗用電能，一般來(lái)說(shuō)電能利用率只有20%∼30%，舉例而言，倘若供應(yīng)100W電力給A類放大機(jī)(擴(kuò)大機(jī))，最后真正輸出到喇叭發(fā)聲功率的只有25W，其余的75W統(tǒng)統(tǒng)是放大系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中的耗用，而且此一高耗能也會(huì)產(chǎn)生高廢熱，需要在放大晶體管上配裝厚高的散熱片來(lái)幫助散熱。雖然A類電能利用率差，但信號(hào)完整是其可取之處，所以依然用在高檔專業(yè)音響中，發(fā)燒友為了享受無(wú)失真的完美音質(zhì)，不會(huì)太在乎多耗3倍的電能。

至于B類放大，其電能利用率較高，理想上可至75%，但卻有交越失真的問(wèn)題，上下波形中有一者會(huì)遭部分截?cái)?，而無(wú)法全波完整放大，如此若用在音響系統(tǒng)就會(huì)有明顯的聲音粗糙變質(zhì)。至于C類放大比B類更糟，上下兩波形都失真，因此更無(wú)法用于傳真性的放大應(yīng)用中，多半只用在無(wú)線通信的RF射頻系統(tǒng)上。

既然A類波形佳、用電高，而B類卻是用電佳、波形稍差(介于A類與C類間)，因此人們有了截補(bǔ)的想法，同時(shí)用上2個(gè)B類放大電路，將兩者所剩的完整半波予以合并，以此達(dá)到與A類相同的全波效果，此即是所謂的AB類放大(運(yùn)作電路來(lái)自2個(gè)B類，呈現(xiàn)效果卻近A類)，且用電上依然低于A類，若要同樣實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸出放大達(dá)25W的系統(tǒng)，A類整體需要100W，AB類約只要66W，如此連散熱片的體積也可以因此精簡(jiǎn)。今日絕大多數(shù)的消費(fèi)性音響及視聽設(shè)備都是用AB類。

D類放大：爭(zhēng)取更高的體積與用電效益

很明顯的，AB類是兼顧用電(也包含散熱、體積)要求及音質(zhì)要求的妥協(xié)性設(shè)計(jì)，而本文所要談?wù)摰腄類也是如此，只是這次更加偏重在電路體積與電能利用率。

在此我們要稍微詳細(xì)地說(shuō)明D類放大的原理，與ABC三類不同的，D類不是利用功率晶體管的線性工作區(qū)間特性來(lái)放大，不是用模擬原理來(lái)放大，而是用上電壓比較、脈寬調(diào)變等技術(shù)來(lái)放大，也因此有人稱D類放大為數(shù)字式功率放大或數(shù)字功放。

首先，D類放大會(huì)將原始的模擬信號(hào)波形，與比它更高頻率的三角波(或鋸齒波)進(jìn)行電壓比較(透過(guò)電壓比較器)，如此便可將以振幅高低性表示的信號(hào)調(diào)變成以脈波寬窄性表示的信號(hào)，此即是脈寬調(diào)變(Pulse Width Modulation;PWM)，之后將PWM信號(hào)輸出到MOSFET場(chǎng)效晶體管上的閘極，以控制晶體管的導(dǎo)通、關(guān)閉，同時(shí)也在這個(gè)階段進(jìn)行信號(hào)功率放大，最后MOSFET的輸出端連接LC(電感、電容)低通濾波電路，將PWM的載波濾除，使原始信號(hào)波形重新呈現(xiàn)。

了解原理后，再進(jìn)一步去了解D類方式所呈現(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，缺點(diǎn)是以調(diào)變程序所形成的放大必然與原始信號(hào)有些出入，但在一般消費(fèi)性的音樂(lè)播放上依然可被接受，相對(duì)的D類放大提供了更多的益處，主要是極高的電能利用率，純理論上是100%運(yùn)用，實(shí)務(wù)上也經(jīng)常在80%、90%的層級(jí)，比AB類更佳，也因此可再降低散熱片的倚賴性，甚至在低功率時(shí)可完全將散熱片舍棄。此外連同其相關(guān)組件所需占用的電路面積、體積，以及電路簡(jiǎn)易性等，亦都是D類較優(yōu)異。

更簡(jiǎn)單說(shuō)，D類與AB類一樣是妥協(xié)性的設(shè)計(jì)，在仍不錯(cuò)的音質(zhì)下進(jìn)行大幅的用電、體積精省，這正是今日掌上型、行動(dòng)式、手持式裝置所最鐘意的特質(zhì)，現(xiàn)在絕大多數(shù)的手機(jī)、數(shù)字隨身聽、口袋電視、PDA、PMP等，其音效部分都實(shí)行D類放大器。

至此各位可能會(huì)說(shuō)：我沒(méi)有設(shè)計(jì)手持裝置，不需要講究用電及電路體積，所以依然可用AB類放大器。但其實(shí)非行動(dòng)運(yùn)用也逐漸有實(shí)行D類放大器的趨勢(shì)，過(guò)去傳統(tǒng)模擬映像管電視有很大的體積，其機(jī)內(nèi)仍有寬裕空間可設(shè)計(jì)音效電路，散熱及用電也與映像管系統(tǒng)一并考慮，然而如今數(shù)字平面液晶電視、平面喇叭盛行，力求短小輕薄與低用電，這時(shí)就難以堅(jiān)持續(xù)用AB類放大器，一樣需要考慮用D類放大器。

同樣的，車內(nèi)音響及車用娛樂(lè)系統(tǒng)也是如此，車用電瓶的電力雖多于掌上型裝置的電池，但畢竟少于家用供電插座，加上車體與內(nèi)裝空間的限制，一樣有用電與體積的精省壓力，這時(shí)也會(huì)考慮用D類放大器。事實(shí)上市場(chǎng)也是如此發(fā)展，最迫切需要D類放大器的是手持裝置，因此初期的D類放大器皆屬低功率，即1W∼3W的數(shù)瓦層級(jí)，之后開始有中功率(10W∼30W的數(shù)十瓦層級(jí))的出現(xiàn)，而今更是達(dá)100W∼200W的高功率，D類放大器正日漸普遍，不再只是行動(dòng)設(shè)計(jì)需要，日益講究省電、短小輕薄的消費(fèi)性產(chǎn)品都有需求。