D类音频功率放大器详解

音频功率放大器在每个产生可听声音的系统中都起着至关重要的作用。几十年来，放大器一直使用模拟(A类和AB类)设计来生产，这种设计效率非常低，导致产品体积庞大、笨重且相当昂贵。

如今模拟音频电源转换的创新周期已经成熟，几乎没有任何任何技术难度就可以实现，这就是D类音频功率放大器发挥作用的地方。 D类功率放大器技术才刚刚开始发展，这些技术具有提供更高效率和音频性能的巨大潜力，使音频产品更可靠、质量更高、尺寸更小、成本更低。

什么是D类功率放大器?

D类功放最早是由英国科学家Alec Reeves于1950年发明的。近年来，D类功率放大器的需求不断上升，并以其高效率在音乐领域越来越受欢迎。 简单来说，D类功率放大器就是一种电子放大器，也称为功率开关放大器，工作于脉宽调制，它将输入信号转换为脉冲流。

D类功率放大器的输出晶体管级作为电子开关运行，并且没有像其他放大器那样的线性增益。D类功率放大器通过接收传入的模拟输入信号并生成PWM或PDM 开始工作。然后它将输入信号转换为脉冲流。这是一种主要放大MOSFET和晶体管的放大器，因此，可以说一个典型的D类功放由两个输出MOSFET、一个脉宽调制器和一个外部低通滤波器组成，用于恢复放大的音频。

与AB类功率放大器中使用的会导致功率晶体管能量损失的线性功率调节不同，D类放大器使用仅在“开”或“关”两个阶段工作的开关晶体管。晶体管上几乎没有能量损失，几乎所有的功率都传输到换能器。因此，与A类、B类和AB类放大器相比，D音频放大器的效率可高达90-95%，而AB放大器的最大效率仅为60-65%。效率与失真图对比如下图所示：

D类功率放大器工作原理

众所周知，D类放大器与脉冲宽度调制(PWM)或脉冲密度调制(PDM)一起工作。因此，通过使用脉冲宽度或脉冲密度，它为扬声器创建了一个相等的模拟输出级，而不是传统的数模转换。它放大的设备通常是MOSFET或晶体管，它们作为电子开关运行。

D类放大器在开始工作时会产生一系列固定幅度的矩形脉冲，它的面积和间隔，或每单位时间的数量不同。此外，模拟音频输入流的幅度变化也由这些脉冲表示，而且将调制器时钟与输入的数字音频输入信号同步也是可行的，因此无需将数字音频信号转换为模拟信号。调制器的输出级通过交替打开和关闭输出晶体管来控制它们的操作。确保这对晶体管不会同时导通是很重要的。如果它一起导电，就会发生通过晶体管的电源轨之间的短路。脉宽调制波形图如下所示：

由于晶体管要么完全“开启”，要么完全“关闭”，它们在线性区停留的时间很短，并且在此期间它们的功耗非常低，这是其高效率的主要因素。这意味着它比A类放大器、B类放大器、AB类和C类放大器具有更高的效率。

另外，由电感器和电容器组成的基本低通滤波器为音频信号的低频引导路径，同时将高频脉冲留在后面。有时，在成本敏感的应用中会省略输出级滤波器。

D类放大器的优点

高效率;D类功放的最大优势在于其高效率。它还提供低热功耗、令人难以置信的性能、提供出色的输出，并可用于多种用途。而且D类放大器的重量小于A、B或AB放大器。对于便携式扩声结构设备和低音放大器，这是一个至关重要的问题。

应用广泛;D类功率放大器具有广泛的应用范围和较低的最小连接负载。此外，无论负载电容如何，电池转换率都保持不变。

清晰的声音;D类功放缺少高中频，可以进行相对频率调整，声音非常清晰，声像定位相当准确。

可批量生产;D类功率放大器非常适合大规模生产。只要元件放置正确，就可以保证产品的一致性，免去制造过程中的调试，安全可靠。

多功能;D类放大器可以直接进行群控、遥控、监听等操作，无需任何其他设备。

省电;与A类、B类和AB类等其他放大器相比，D类放大器的功率效率更高。一个结构良好的D类放大器永远不会产生低于90%的效率，同时将真正的扬声器作为负载作为AB放大器。由于D类放大器的高效性，它们需要更小的散热器和电源。因此，D类放大器比模拟放大器轻得多，这也是D类放大器的关键优势。

D类放大器的缺点

没有特定的开关;D类功率放大器没有特定的开关，如果安装的功率晶体管和其他组件没有正确匹配，整个产品的质量就会失败。

潜在功率波动;在D类放大器的初始连接和最终关断过程中，功率晶体管接近地的电位会发生波动，导致噪声增加。

盲区;D类功率放大器输出电路可能包含盲区。

声音或不悦耳;有些人不喜欢D类放大器发出的声音，因为它听起来非常数字化。当然，这个因人而异。

尽管D类放大器具有上述缺点，但由于其小尺寸和高效率，它是现在音频放大器的趋势。优点很多，缺点不会造成使用上的大问题，可以忽略不计。

为什么家庭立体声系统会选择D类放大器?

当为家庭立体声系统寻找最佳音频放大器时，你会发现大部分放大器都是由D类放大器制成的。它几乎普遍用于家庭影院立体声系统。因为它具有简单的设计、稳定的性能以及与其他放大器相比要小得多的尺寸。另一个原因是它最适合无线环绕声扬声器或蓝牙环绕系统。如果不想从音频系统中听到任何声音失真，例如咔嗒声、爆裂声或嘶嘶声，那么选择D类功率放大器将是正确决定。D类放大器听起来更体面，并以其高效率而闻名。

现代D类放大器采用无线系统设计，因此任何人都可以通过蓝牙、WIFI和Airplay无线传输他们喜爱的音乐，而且还可以通过放大器无线控制整个房屋音频的连接。现代D类放大器可增强扬声器和低音炮的性能，将扬声器播放得响亮而清晰，并确保录音音质。考虑到所有事实以及与其他放大器的比较，D类放大器最适合家庭立体声系统。

总结

D类功率放大器属于音频放大器类型，其中MOSFET等电源管理器件用作电子开关。由于这些放大设备作为完美的开关设备运行，因此在零输入情况下的相位转换期间不会浪费任何功率和时间。与A类、AB类和B类等其他拓扑相比，对D类放大器的需求(例如最小功耗)允许D类在多种应用中使用。

现实情况是，如今D类功放技术越来越多地被用于大型公共广播、语音增强，并且有效代替现场扩声系统中传统上笨重且效率低下的功率放大器。