音頻功率放大器無所不在，有音樂響起的地方就會有音頻放大器的身影，一代代的電子工程師在這個領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聲器或耳機上真實、高效的重現(xiàn)聲音信號。真實和高效一直是功率放大器領域技術進步的源動力。音頻頻率范圍約為20Hz～20kHz，要求放大器必須在此頻率范圍內具有良好的頻率響應；根據(jù)輸出功率不同，放大器可以被細分為不同的輸出功率規(guī)格，比如從幾百mW的耳機放大器到2W左右應用于便攜設備的小功率放大器，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類放大器采用互補輸出級，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上，提供良好的音質。但它仍是一種線性放大器，輸出級晶體管工作在線性放大狀態(tài)，為負載提供瞬時連續(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。輸出晶體管的瞬時功耗可表示為VDS× IDS，會有相當多的能量將消耗在輸出晶體管上，轉化為熱量。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，其輸出級晶體管工作于開關狀態(tài)，輸出端在正電源和負電源之間切換產(chǎn)生一串電壓脈沖。當輸出晶體管不導通時，輸出級不消耗任何電流。輸出級晶體管導通電阻通常在0.2Ω，因此導通時VDS很低，晶體管上的功耗（VDS×IDS）也很小。低功耗的開關工作方式使得D類放大器在許多應用中優(yōu)勢顯著，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，并能夠延長便攜式設備的電池使用時間。

D類放大器工作時，首先必須將輸入音頻信號調制成一串電壓脈沖?，F(xiàn)今有很多方法將輸入音頻信號調制成電壓脈沖，最常用的技術是脈寬調制技術(PWM)。從原理上講，PWM調制是通過將輸入音頻信號與固定載波頻率的三角波進行比較，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音頻信號的幅度，占空比的變化即包含了輸入音頻信號的變化。由于載波頻率通常在音頻信號的10倍以上，從頻譜上分析，PWM調制在音頻范圍內是無失真的。

通常D類放大器輸出端通過一個LC濾波器連接至揚聲器上。LC濾波器用于濾除電壓脈沖信號中的高頻部分，重建音頻信號。我們知道，揚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，從這個角度來講，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濾波器后會發(fā)生什么情況。在沒有任何音頻輸入信號時，比較器會產(chǎn)生一串50%占空比的脈沖，該脈沖直接加在揚聲器兩端，在揚聲器內部被濾波后重建至零輸入的直流狀態(tài)。這個過程會在揚聲器的阻性負載上產(chǎn)生很大的功耗，降低了放大器的效率。

三電平H橋輸出結構完全可以省去LC濾波器。在三電平H橋輸出結構中，輸入音頻信號及其反相信號同時和三角波比較，產(chǎn)生兩串不同的電壓脈沖加在H橋的兩個半橋上。兩串電壓脈沖的差分脈沖是實際加在揚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時的情況。沒有輸入信號時，產(chǎn)生的兩串電壓脈沖同相且均為50%占空比，不會有任何差分脈沖產(chǎn)生，也就不會有任何功率損耗。當輸入信號正向變大時，產(chǎn)生一串正向差分脈沖，揚聲器上會有正向電流流過；當輸入信號反向變大時，則產(chǎn)生一串反向差分脈沖，揚聲器上會有反向電流流過。揚聲器上的電流是在輸入信號變化時根據(jù)需要產(chǎn)生的，并不會有多余的功耗被損失掉。

實際的電路中，輸出級和驅動電路總會包含種種的不理想因素，導致放大器輸出產(chǎn)生非線性失真。首先，輸出級晶體管具有非常低的導通電阻，如果上下兩個輸出級晶體管同時導通，會產(chǎn)生一個從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，極容易發(fā)生輸出級晶體管同時導通的情況。因此，避免輸出級晶體管同時導通很重要。為防止該情況發(fā)生，必須在一個晶體管導通之前先強制將兩個晶體管都關斷。兩個晶體管都關斷的時間間隔稱為死區(qū)時間。死區(qū)時間會改變原始PWM脈沖的占空比，并導致放大器輸出產(chǎn)生失真。設計中通常采用最短的死區(qū)時間，既防止輸出晶體管同時導通，又能將失真盡可能的減小。另外，輸出脈沖的上升時間和下降時間不匹配，以及輸出級晶體管驅動電路參數(shù)不匹配，同樣會改變原始PWM脈沖的占空比，進而同樣在放大器輸出上產(chǎn)生失真。

讓我們再看一下播放音樂時電源上會發(fā)生什么情況。電源通過0.2Ω電阻的輸出級晶體管直接連接至揚聲器。實際的電源總是存在一定的內阻，在播放音樂時，電源上會產(chǎn)生兩倍于信號頻率的紋波，紋波幅度會隨電源內阻大小不同而不同。該紋波通過0.2Ω電阻的輸出級晶體管直接耦合到揚聲器，在輸出信號中產(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，電源紋波會在放大器輸出上產(chǎn)生高階偶次失真。

發(fā)布者：小宇