D類放大器與開關(guān)模式電源的工作方式相似，其中輸出MOSFET可能是完全啟動(飽和)或完全關(guān)閉(切斷)的。其效果在于減小晶體管的功耗，并增加放大器的效率。不幸的是，開關(guān)時間和非交換時間中總會有損失(開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損失)。

　　出現(xiàn)開關(guān)時間中的損耗是由于FET的上升時間和下降時間大于零。出現(xiàn)這種情況有幾個原因。第一，輸出晶體管不能瞬時交換。從漏極到源極的通道要求一段特定的形成時間。第二，晶體管柵源電容和寄生電阻的痕跡形成RC時間常量，也增加了上升和下降時間。

　　在非開關(guān)時間中的功耗是由于每個FET 的RDS(ON) 和晶體管中的電流導(dǎo)致的。

　　但從總體而言，D類放大器的損失是最小的，正是由于該器件的交換性質(zhì)，才使放大器實現(xiàn)了高得多的效率。其開關(guān)技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，它可比較輸入模擬信號和高頻率三角波形(通常為250 kHz)，以生成輸出波形。該波形隨后驅(qū)動MOSFET H橋。隨后形成的差動波形是PWM方波信號，其占空比與音頻信號的振福成正比。來自H橋的信號通過輸出濾波器驅(qū)動喇叭，或直接連接至喇叭(參見TI的TPA2000D和TPA3000D無濾波器系列產(chǎn)品)。圖3顯示了D類輸出級就橋接式負(fù)載(BTL)配置而進(jìn)行的典型配置。

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　　圖 1：D類放大器的典型配置

　　&n bsp; 調(diào)制方案在確定所需濾波器類型方面發(fā)揮著重要的作用。例如，第一代TI 的D類放大器要求LC濾波器。圖4顯示了第一種使用的調(diào)制方案類型。在本方案中，當(dāng)無輸入信號時，差動PWM輸出信號的占空比為50%。這50% 的占空比不生成可以聽到的聲音，因為平均波形為零。但是，它會從喇叭吸收并使用大量電流，這會導(dǎo)致不必要的功耗?，F(xiàn)在，隨著輸入電壓的增加，正極OUT+的占空也隨之增加，而負(fù)極OUT-的占空比則會減小。

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　　圖 2：傳統(tǒng)D類調(diào)制的輸出電壓和電流波形

　　就該類型的調(diào)制方案而言，應(yīng)當(dāng)實施二階Butterworth低通濾波器。如圖5所示，該濾波器采用了兩個電感和三個電容器作為典型的橋接式負(fù)載輸出。該濾波器主要作為電感，在電壓交換時使輸出電流保持一致，這減少了低狀態(tài)功耗或無輸入信號時的功耗。

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　　圖 3：典型的二階Butterworth濾波器設(shè)計

　　該濾波器的主要缺陷是其超大尺寸及外部器件成本。此類調(diào)制方案無需濾波器即可使用而不影響保真度。由于揚聲器既具電阻性又具電感性而且D類開關(guān)波形通過揚聲器產(chǎn)生高電壓，所以效率上的增益將受到損失。從而導(dǎo)致較高的電源電流，也喪失了D類帶來的效率優(yōu)勢。

　　輸出的較高電感產(chǎn)生較低的靜電電流(無輸入的電源電流)，因為其限制了輸出紋波電流的數(shù)量。L1 與 L2 感應(yīng)器以及 C1 電容器構(gòu)成差動濾波器，每十進(jìn)即以40dB的斜率衰減信號。開關(guān)電流主要通過 C1、C2及C3，揚聲器消耗的電流極少。

　　該濾波器還極大地減少了電磁干擾 (EMI)。EMI 是由電流瞬時變動產(chǎn)生的磁 (H) 場或差動電壓產(chǎn)生的電 (E) 場形成的。圖5中的濾波器包括共模及差動濾波器，所以其不僅可減少了磁場還可減少電場。

　　在TI 新一代的 D 類放大器 TPA2000D 以及 TPA3000D 產(chǎn)品系列中，調(diào)制方案經(jīng)過修改，只產(chǎn)生非常短的差動功率脈沖，以避免無輸入信號時發(fā)生"擊穿"。就TPA2005D1 而言，這就使電源電流增加了不足3mA ，且負(fù)載在交換頻率上具有感應(yīng)性及電阻性。圖6 顯示了TI 的無濾波器 D 類調(diào)制方案的輸出波形。

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　　圖 4：新一代D類調(diào)制的輸出電壓和電流波形

　　該創(chuàng)新性調(diào)制方案不再需要二階Butterworth低通濾波器，從而極大減少了系統(tǒng)成本以及解決方案尺寸。EMI可能還是一個問題，但實際的實驗室測試顯示，與放大器輸出串聯(lián)的鐵氧體磁環(huán)及接地電容器實際上起到了共模濾波器的作用，因此也減小了電場，換言之也減小了振幅或MHz范圍的交換和聲(見圖7)。典型使用的電容以及鐵氧體磁環(huán)值分別為1 nF和100 W @ 100 MHz。這有利于必須通過 FCC 和 CE 標(biāo)準(zhǔn)的電路，因為 FCC 和 CE 測試大于 30M HZ 的輻射量。

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　　圖 5：新一代D類調(diào)制的輸出電壓和電流波形

　　通過使用上述調(diào)制方法，由于正負(fù)輸出信號是同相的，因此負(fù)載的差動電壓在大多數(shù)開關(guān)周期都均為零伏。這極大降低了交換電流，從而也就消除了負(fù)載中的功耗。

　　結(jié)論

　　高級D類放大器的選擇范圍正在不斷擴大，也使得各種消費者終端設(shè)備(如平板顯示器、PDA、智能電話、移動電話、汽車無線電等)的設(shè)計者能夠提高功率性能，同時保持甚至減小尺寸和降低成本。D類放大器的時代使得設(shè)計人員能夠在各種產(chǎn)品中實施高性能音頻，給消費者帶來較以往更"低熱"的體驗。