D类放大器原理详解及应用设计指南(二)

D类放大器早在1958年就被人们提出，近年来，其应用越来越普及。D类放大器是什么？它们与其它种类的放大器相比怎么样？为什么音频应用钟爱D类放大器？设计和应用一款优良的D类音频放大器需要怎么做？下面本文尝试回答所有这些问题。

D类放大器术语以及差分方式与单端方式的比较

下图展示的是出D类放大器中输出晶体管和LC滤波器的差分实现。

这个H桥有两个半桥开关电路，这两个开关电路为滤波器提供相反极性的脉冲，其中滤波器由两个电感器、两个电容器和扬声器组成。每个半桥含有两个输出晶体管，其中一个连接到正电源的高端晶体管MH，另一个则连接到负电源的低端晶体管ML。图3中展示的是高端pMOS晶体管。高端nMOS晶体管被经常用来减小尺寸和电容，但需要特殊的栅极驱动方法对之进行控制。

全H桥电路一般采用单电源(V_DD)供电，接地端用于接负电源端(V_SS)。对于给定的V_DD和V_SS，H桥电路的差分特性使它提供的输出信号能达到单端方式输出信号的两倍，而输出功率则是单端方式的四倍。半桥电路可由双极性电源或单极性电源供电，但单电源供电会对给扬声器产生一个有潜在危害的直流偏置电压_DD/2，除非加一个隔直电容器。

LC滤波器上的大电感器电流可以激励半桥电路的电源电压总线超过其标定值。在V_DD和V_SS之间加大去耦电容器可以限制瞬变dv/dt。全桥电路不受总线激励的影响，因为电感器电流从一个半桥流入，从另一个半桥流出，从而使本地电流环路对电源干扰极小。

音频D类放大器设计中必须考虑的要素

D类放大器的低功耗优点使它被广泛用于音频应用中，但对设计人员来说，还有一些重要问题需要考虑，包括：

输出晶体管尺寸选择

选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗。当传导大的IDS的情况下，要确保较小的V_DS，就要求输出晶体管的导通电阻(R_ON)很小(一般为0.1Ω~0.2Ω)。但这要求大晶体管具有很大的栅极电容(C_G)。开关电容栅极驱动电路的功耗为CV²f，其中C是电容，V是充电期间的电压变化，而f则是开关频率。如果电容或频率太高，“开关损耗”就会过大，所以这里有一个实际的上限。因此，在选择晶体管尺寸时，必须在降低传导期间IDS - V_DS损耗与降低开关损耗之间做一个权衡。在高输出功率情况下，功耗和效率由传导损耗决着，而在低输出功率情况下，功耗则主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其产品的R_ON - C_G减至最小以减少开关应用中的总功耗，从而提供开关频率选择上的灵活性。

输出级保护

必须对输出级加以保护，以使其免受各种潜在危害：

过热：D类放大器的输出级功耗低于线性放大器的输出级功耗，但如果它被迫长期处于极高功率状态，仍会对输出晶体管构成危害。为防止过热危险，必须采用温度监视控制电路。在简单的保护方案中，当片内传感器测量的温度超过热关断安全阈值时，输出级会被关断，并且一直保持关断状态直到冷却。除了提供简单的有关温度是否已经超过关断阈值的二进制指示，传感器还可提供其它的温度信息。通过测量温度，控制电路可逐渐减小音量水平，减少功耗并且很好地将温度保持在限定值范围内，而不是在热关断期间强制静音。

输出晶体管过流：输出级和扬声器端若能正确连接，输出晶体管很容易就能实现低导通电阻状态，但如果这些结点不慎与另一个结点或正、负电源短路，就会产生巨大的电流。如果没有查出来，这个大电流会破坏晶体管或外围电路。因此，必须采用电流检测输出晶体管保护电路。在简单保护方案中，输出级会在输出电流超过安全阈值时关断。而在复杂方案中，则是由电流传感器输出反馈到放大器中，试图限制输出电流到一个最大安全水平，同时允许放大器连续工作而无须关断。在该方案中，如果限流保护无效，就只能强制关断了。有效的限流器还可在由于扬声器共振出现暂时的大瞬态电流时保持放大器安全工作。

欠压：只有当正电源电压足够高时，开关输出级电路才能正常工作。在电源电压太低的欠压情况下，问题就很容易产生。一般可以通过欠压封锁电路来解决这个问题，该电路只有当电源电压大于欠压封锁阈值时才允许输出级工作。

输出晶体管导通时序：用来保护输出级的MH和ML输出级晶体管的导通电阻很低。因此，必须避免MH和ML同时导通的情况，因为这会在晶体管上产生一个从VDD到VSS的低电阻路径和一个很大的冲击电流。一旦发生这种情况，最幸运的后果就是晶体管发热并且消耗功率，但最坏的情况是晶体管可能被毁坏。通过先开后合的控制方法，可以在开启其中一个晶体管之前强制关闭两个，从而防止冲击电流情况发生。两个晶体管都断开的时间间隔被称为非重叠时间或死区时间。

图：输出级晶体管的先合后开方式

下一部分将讨论音质。