D类提高音频放大器的效率

文章摘要： D 类采用脉宽调制 (PWM)信号取代AB 类放大器通常采用的线性信号。PWM 信号包括音频信号以及PWM开关频率与谐波。D 类音频放大器比AB 类放大器效率高得多，因为输出MOSFET 可从极高阻抗转变为极低阻抗，从而在作用区操作只有几纳秒。利用上述技术，输出级上损失的效率极低。此外，LC 过滤器或扬声器的感应元件在各周期还能存储能量，并可确保切换功率不会在扬声器中损失。 引言 尽管D 类放大器推出已经有一段时间了，但许多人仍不理解D 类放大器工作的基本原理，也不明白其为什么会提供更高效率。本文将解释脉宽调制 (PWM) 信号是如何创建的，以及说明您听到

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     D 类采用脉宽调制 (PWM)信号取代AB 类放大器通常采用的线性信号。PWM 信号包括音频信号以及PWM开关频率与谐波。D 类音频放大器比AB 类放大器效率高得多，因为输出MOSFET 可从极高阻抗转变为极低阻抗，从而在作用区操作只有几纳秒。利用上述技术，输出级上损失的效率极低。此外，LC 过滤器或扬声器的感应元件在各周期还能存储能量，并可确保切换功率不会在扬声器中损失。

       引言

       尽管D 类放大器推出已经有一段时间了，但许多人仍不理解D 类放大器工作的基本原理，也不明白其为什么会提供更高效率。本文将解释脉宽调制 (PWM) 信号是如何创建的，以及说明您听到的是音频频率而非PWM波形的开关频率。本文将详细说明输出PWM波形为什么比输出线性波形效率高很多，还将说明为什么某些D类放大器要求LC过滤器，而某些则不需要。 

    B> D 类输出信号 (PWM) 如何包含音频信号？

       TPA3001D1结构图（见图1）有助于解释PWM信号是如何形成的。首先，模拟输入D 类采用前置放大器获得输入音频信号，并确保差动信号。随后，积分器级 (integrator stage) 可低通过滤音频信号以实现抗失真与稳定性。音频信号而后与三角波相比较，以创建脉宽调制 (PWM)信号。门驱动电路系统采用 PWM 驱动输出FET，其将在输出端创建高电流PWM信号。

                

                                        图1：TPA3001D1结构图。

       图2显示了典型的PWM信号是如何从图1中的比较器功能块形成的。可将音频输入与250-kHz的三角波相比较。当音频输入电压大于250-kHz三角波电压时，非反相比较器输出状态为高，而当250-kHz三角波大于音频信号时，非反相比较器输出状态为低。非反相比较器输出为高时，反相比较器输出为低；而当非反相比较器输出为低时，反相比较器输出为高。平均 PWM非反相输出电压VOUT+(avg) 为忙闲度乘以电源电压，此外D表示忙闲度，或"开启"时间t(on) 除以总周期 T。

VOUT+(avg) = D * Vcc (1)

D = t(on) / T (2) 

反相输出的忙闲度VOUT- 与VOUT+为1。如输入只有一半，则VOUT- 与VOUT+1的忙闲度为0.5。

VOUT-(avg) = (1-D) * Vcc (3)

                    

                              图2：比较器的输入与典型D 类放大器的PWM输出

       TPA3001D1与TPA3002D2均采用 TPA2005D1中无过滤器的调制方案。利用这种调制方案，正输出VOUT+ 与典型D 类PWM 相同，但负输出VOUT- 并不完全与 VOUT+ 相反。在这种情况下，就有两个比较器，并且正积分器输出与三角波相比较可创建 VOUT+ 的 PWM，而积分器的负输出则与三角波相比较则可创建VOUT- 的 PWM。图3显示了用于无过滤器调制方案的比较器输入与PWM输出，这里我们假定音频信号为dc电压，因为音频信号的频率比250 kHz的三角波低很多。图3还显示了差动输出电压。

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