D類放大：爭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，只是其效率相對較低，分別為50%和78.5%。特別在作為功放時，效率的高低直接影響到電源和功放級的散熱器體積。而D類放大電路為了提高效率，采用了調制開關和選頻濾波技術，使放大電路的效率提高到90%以上，因而從晶體管工作區(qū)域來看實際是開關狀態(tài)的。

D類放大電路有電壓開關型和電流開關型兩種，要講清楚D類放大電路工作原理，并非三言兩語所能為之。這里簡單說一下D類功放設計步驟：

1.確定輸出功率;

2.考慮工作頻率;

3.供電方式和調制問題。

4.工作可靠性設計，主要考慮附加保護電路設計;

一、A類(甲類)放大器，是指電流連續(xù)地流過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所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動態(tài)范圍控制得當，僅從失真的角度來看，可認為它是一種良好的線性放大器。 A類，它本質上是一個單獨的射極跟隨器，并帶有一個有源發(fā)射極負載，以達到合適的電流泄放。這一類作為輸出級時，需要在開始設計之前就把所要驅動的阻抗是多低搞清楚。

二、B類(乙類)放大器，是指器件導通時間為50%的一種工作類別。這類放大器可以說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，其特點是斷續(xù)地轉換器件的開通，其頻率超過音頻，可控制信號的占空比以使它的平均值能代表音頻信號的瞬時電平，這種情況被稱為脈寬調制(PWM)，其效率在理論上來說是很高的。

但是，實際困難還是非常大的，因為200kHz的高功率方波是不是好的出發(fā)點尚不清楚;從失真的角度來看，為保證采樣頻率的有效性，必須將一個陡峭截止頻率的低通濾波器插入放大器與揚聲 器之間，以消除絕大部分的射頻成分，這至少需要4個電感(考慮立體聲)， 成本自然不會低。此外，表現(xiàn)在頻響方面，它只能對某一特定負載阻抗保證平坦的頻率響應。

為何今日會盛行D類放大器呢?

在此我們不再詳述電路的細節(jié)運作原理，單就結果特性來說明，A類放大具有最佳的信號傳真性(電壓波形幾乎無失真)，但卻相當耗用電能，一般來說電能利用率只有20%∼30%，舉例而言，倘若供應100W電力給A類放大機(擴大機)，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)運作過程中的耗用，而且此一高耗能也會產(chǎn)生高廢熱，需要在放大晶體管上配裝厚高的散熱片來幫助散熱。雖然A類電能利用率差，但信號完整是其可取之處，所以依然用在高檔專業(yè)音響中，發(fā)燒友為了享受無失真的完美音質，不會太在乎多耗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題，上下波形中有一者會遭部分截斷，而無法全波完整放大，如此若用在音響系統(tǒng)就會有明顯的聲音粗糙變質。至于C類放大比B類更糟，上下兩波形都失真，因此更無法用于傳真性的放大應用中，多半只用在無線通信的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)，因此人們有了截補的想法，同時用上2個B類放大電路，將兩者所剩的完整半波予以合并，以此達到與A類相同的全波效果，此即是所謂的AB類放大(運作電路來自2個B類，呈現(xiàn)效果卻近A類)，且用電上依然低于A類，若要同樣實現(xiàn)一個輸出放大達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。今日絕大多數(shù)的消費性音響及視聽設備都是用AB類。

D類放大：爭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)要求及音質要求的妥協(xié)性設計，而本文所要談論的D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地說明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)間特性來放大，不是用模擬原理來放大，而是用上電壓比較、脈寬調變等技術來放大，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類放大會將原始的模擬信號波形，與比它更高頻率的三角波(或鋸齒波)進行電壓比較(透過電壓比較器)，如此便可將以振幅高低性表示的信號調變成以脈波寬窄性表示的信號，此即是脈寬調變(Pulse Width Modulation;PWM)，之后將PWM信號輸出到MOSFET場效晶體管上的閘極，以控制晶體管的導通、關閉，同時也在這個階段進行信號功率放大，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，使原始信號波形重新呈現(xiàn)。

了解原理后，再進一步去了解D類方式所呈現(xiàn)的優(yōu)缺點，缺點是以調變程序所形成的放大必然與原始信號有些出入，但在一般消費性的音樂播放上依然可被接受，相對的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%運用，實務上也經(jīng)常在80%、90%的層級，比AB類更佳，也因此可再降低散熱片的倚賴性，甚至在低功率時可完全將散熱片舍棄。此外連同其相關組件所需占用的電路面積、體積，以及電路簡易性等，亦都是D類較優(yōu)異。

更簡單說，D類與AB類一樣是妥協(xié)性的設計，在仍不錯的音質下進行大幅的用電、體積精省，這正是今日掌上型、行動式、手持式裝置所最鐘意的特質，現(xiàn)在絕大多數(shù)的手機、數(shù)字隨身聽、口袋電視、PDA、PMP等，其音效部分都實行D類放大器。

至此各位可能會說：我沒有設計手持裝置，不需要講究用電及電路體積，所以依然可用AB類放大器。但其實非行動運用也逐漸有實行D類放大器的趨勢，過去傳統(tǒng)模擬映像管電視有很大的體積，其機內(nèi)仍有寬?？臻g可設計音效電路，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，這時就難以堅持續(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，這時也會考慮用D類放大器。事實上市場也是如此發(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，之后開始有中功率(10W∼30W的數(shù)十瓦層級)的出現(xiàn)，而今更是達100W∼200W的高功率，D類放大器正日漸普遍，不再只是行動設計需要，日益講究省電、短小輕薄的消費性產(chǎn)品都有需求。