适用消费电子的三电平H桥输出D类放大器

音频功率放大器无所不在，有音乐响起的地方就会有音频放大器的身影，一代代的电子工程师在这个领域辛勤耕耘撒播智慧。音频放大器是要以一定的音量和功率在扬声器或耳机上真实、高效的重现声音信号。真实和高效一直是功率放大器领域技术进步的源动力。音频频率范围约为20Hz～20kHz，要求放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应；根据输出功率不同，放大器可以被细分为不同的输出功率规格，比如从几百mW的耳机放大器到2W左右应用于便携设备的小功率放大器，再到10W、20W的家庭音响用中功率、大功率放大器。

AB类放大器是当今最常用的音频功率放大器。其不同于最早的A类或B类放大器的区别在于，AB类放大器采用互补输出级，通过在输出端加一定的偏置电流以防止交越失真，从而能够在提升A类放大器效率的基础上，提供良好的音质。但它仍是一种线性放大器，输出级晶体管工作在线性放大状态，为负载提供瞬时连续输出电流。输出晶体管工作在线性状态下，源极、漏极之间的压降很大。输出晶体管的瞬时功耗可表示为VDS× IDS，会有相当多的能量将消耗在输出晶体管上，转化为热量。即使最有效的AB类放大器，其效率通常也只在60~70%左右。

D类放大器采用一种全新的工作方式，其输出级晶体管工作于开关状态，输出端在正电源和负电源之间切换产生一串电压脉冲。当输出晶体管不导通时，输出级不消耗任何电流。输出级晶体管导通电阻通常在0.2Ω，因此导通时VDS很低，晶体管上的功耗（VDS×IDS）也很小。低功耗的开关工作方式使得D类放大器在许多应用中优势显著，如可以节省印制电路板上用于散热的金属面积，可以省去专用的散热片，并能够延长便携式设备的电池使用时间。

D类放大器工作时，首先必须将输入音频信号调制成一串电压脉冲。现今有很多方法将输入音频信号调制成电压脉冲，最常用的技术是脉宽调制技术(PWM)。从原理上讲，PWM调制是通过将输入音频信号与固定载波频率的三角波进行比较，产生一串和载波相同频率的电压脉冲。PWM脉冲的占空比正比于该载波周期内音频信号的幅度，占空比的变化即包含了输入音频信号的变化。由于载波频率通常在音频信号的10倍以上，从频谱上分析，PWM调制在音频范围内是无失真的。

通常D类放大器输出端通过一个LC滤波器连接至扬声器上。LC滤波器用于滤除电压脉冲信号中的高频部分，重建音频信号。我们知道，扬声器本身具有一定的频响范围，人耳基本上也不敏感音频频率范围以外的信号，从这个角度来讲，LC滤波器完全可以从D类放大器中删去。让我们看一下删去LC滤波器后会发生什么情况。在没有任何音频输入信号时，比较器会产生一串50%占空比的脉冲，该脉冲直接加在扬声器两端，在扬声器内部被滤波后重建至零输入的直流状态。这个过程会在扬声器的阻性负载上产生很大的功耗，降低了放大器的效率。

三电平H桥输出结构完全可以省去LC滤波器。在三电平H桥输出结构中，输入音频信号及其反相信号同时和三角波比较，产生两串不同的电压脉冲加在H桥的两个半桥上。两串电压脉冲的差分脉冲是实际加在扬声器两端的电压脉冲。我们同样看一下没有任何音频输入信号时的情况。没有输入信号时，产生的两串电压脉冲同相且均为50%占空比，不会有任何差分脉冲产生，也就不会有任何功率损耗。当输入信号正向变大时，产生一串正向差分脉冲，扬声器上会有正向电流流过；当输入信号反向变大时，则产生一串反向差分脉冲，扬声器上会有反向电流流过。扬声器上的电流是在输入信号变化时根据需要产生的，并不会有多余的功耗被损失掉。

实际的电路中，输出级和驱动电路总会包含种种的不理想因素，导致放大器输出产生非线性失真。首先，输出级晶体管具有非常低的导通电阻，如果上下两个输出级晶体管同时导通，会产生一个从VDD到VSS的低阻路径通过晶体管，从而产生很大的冲击电流。在电压脉冲由高变低或由低变高时，极容易发生输出级晶体管同时导通的情况。因此，避免输出级晶体管同时导通很重要。为防止该情况发生，必须在一个晶体管导通之前先强制将两个晶体管都关断。两个晶体管都关断的时间间隔称为死区时间。死区时间会改变原始PWM脉冲的占空比，并导致放大器输出产生失真。设计中通常采用最短的死区时间，既防止输出晶体管同时导通，又能将失真尽可能的减小。另外，输出脉冲的上升时间和下降时间不匹配，以及输出级晶体管驱动电路参数不匹配，同样会改变原始PWM脉冲的占空比，进而同样在放大器输出上产生失真。

让我们再看一下播放音乐时电源上会发生什么情况。电源通过0.2Ω电阻的输出级晶体管直接连接至扬声器。实际的电源总是存在一定的内阻，在播放音乐时，电源上会产生两倍于信号频率的纹波，纹波幅度会随电源内阻大小不同而不同。该纹波通过0.2Ω电阻的输出级晶体管直接耦合到扬声器，在输出信号中产生偶次音频噪声。从电路角度来看，这种音频噪声来自于较差的电源抑制比性能，即通过电源耦合，电源纹波会在放大器输出上产生高阶偶次失真。

发布者：小宇