D类放大器：低功耗领跑应用 技术完善产能
D类放大器的高效特性，使其成为便携式和大功率应用的理想选择，并在音频放大器家族中的地位日益尊崇。同时，业界正通过集成器件功能、免去外部滤波器等技术手段提升D类放大器的性能。
音频放大器是重要的模拟器件，它的用途是在发声输出元件(如扬声器)上复现输入音频信号，这就要求放大器能保证复现的忠实性、高效率以及低失真度。在这一任务面前，D类放大器表现出多方面的优势。
占据便携式应用主流地位
如今，便携式应用已经成为电子产品发展的重要趋势，从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，差不多人人都拥有便携式电子产品。今后，将要陆续普及的还有便携式电视机，便携式DVD等。所有这些便携式电子产品的一个共同点就是都有音频输出，也就是都需要一个音频放大器；它们的另一个特点就是都由电池供电，都希望有较长的待机时间。D类放大器就是在此背景下得到了广泛的应用，它最主要的特点就是能够在保持最低失真的情况下实现最高的效率。
D类放大器概念的提出已有半个世纪的历史了，但直到最近几年才真正流行起来。德州仪器中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为告诉《中国电子报》记者：“在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器、B类放大器和AB类放大器。与D类放大器相比较，即使是最有效的线性输出级，它们的输出级功耗也很大。这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板(PCB)面积和成本，并且能够延长便携式系统电池的寿命。”
安森美半导体数字及消费产品部低压电源管理产品市场经理林欣欣在接受本报记者采访时也表示，D类放大器的高能效使其具有两项优势，其一是功耗低，能够延长电池供电设备的工作时间；其二是散热少，因为所需的PCB或散热片上散热面积较小，能用于更小巧的设计中。可见，便携式电子产品的确是D类放大器最适合的应用领域。
借低功耗优势拓展应用领域
当然，D类放大器的应用决不仅限于便携式的电子设备。目前，D类放大器不但在手机中得到广泛的应用，在个人电脑中也渐渐进入主流机型。在家电领域，32英寸以上的液晶电视几乎全部采用了D类功放，22英寸～26英寸的液晶电视中D类放大器也逐渐成为主流。传统的CRT(阴极射线管)电视机有很大的体积，其机箱内仍有宽裕的空间可容纳音效电路，散热及用电也可以跟显像管系统一并考虑，然而在液晶电视、平面喇叭盛行的今天，设计者力求短小轻薄与低耗电，这时AB类放大器就难以满足要求，因此同样需要考虑使用D类放大器。
车内音响及车用娱乐系统也是如此，车用电瓶的电力虽多于便携式产品的电池，但毕竟少于家用供电插座，加上汽车内部空间的限制，同样需要节省用电和压缩体积，这时也会考虑用D类放大器。
随着能源的日益紧张，对于能源效率方面的要求也逐步提高，尤其是对于电池供电系统，功耗的要求更为苛刻，所以未来对于效率最高的D类功率放大器的应用需求也会逐步增加。张洪为对记者举例说明了D类放大器在节能方面的巨大优势：一套使用AB类功放、额定功率为1000W的家用音响，平均播放功率为300W，其功放效率约为30%，浪费700W能量；而D类功放效率为85%，同样实现300W的平均播放功率，浪费能量约为53W。两相对比，AB类放大器能源浪费约为D类放大器能源浪费的13倍。
张洪为表示，即使是在顶级音响系统，由于新一代的数字功放技术可以达到100dB以上的信噪比，与AB类放大器相比毫不逊色，而且易于集成诸如动态范围控制、动态噪声消除、动态响度补偿、喇叭频响曲线补偿等数字技术，用于普通的喇叭也可以产生令人惊喜的效果。
新技术弥补性能缺陷
不过，在音频性能方面，AB类放大器的确比D类放大器更具优势。AB类放大器的“THD+N”(“总谐波失真+噪声”)值低，PSRR（电源电压抑制比）的绝对数值高，此外，AB类的应用中没有噼啪声和咔嗒声，噪声很小，而且开启时间和关闭时间都很短。D类的工作模式完全不同于AB类，会产生某些高频谐波。尽管这些谐波频率远远高于可听波频率，不能被人耳所感知，然而可能对设备的RF(射频)部分或者天线部分产生干扰，降低其灵敏度。因此，EMI(电磁干扰)是D类技术必须面对的一大挑战。
传统D类放大器需要外部LC(电感-电容)滤波器，这不仅增加了方案总成本和电路板空间，也可能因滤波元件的非线性而引入额外失真。幸好，很多现代D类放大器采用了先进的“免滤波器”调制方案，从而最大限度地降低了对外部滤波器的要求。美信集成产品公司中国区市场传播及应用支持经理魏智向《中国电子报》记者介绍道：“免滤波器工作方式的一个缺点就是可能通过扬声器电缆辐射EMI。如果在紧靠器件的位置没有安装外部输出滤波器的话，大量频谱能量就会通过扬声器电缆辐射出去。美信的免滤波器D类放大器采用享有专利的扩谱调制方案，可以缓解EMI的不利影响。”
有观点认为，D类音频放大器面临的另一个挑战是价格太高，其成本一般是AB类放大器的2倍到3倍。不过，美国国家半导体亚太区市场经理郭俊杰却对此观点提出异议，他认为，很难笼统地说D类放大器具有或不具有成本优势，这取决于具体的系统设计需求；系统成本决不是单个器件成本的累加，对于某些应用而言，采用看似成本较高的D类放大器其实有助于降低整个系统的成本。恩智浦半导体多重市场产品部大中华区高级市场经理张秋明也对记者表达了类似的观点。他承认，目前同等功率的D类放大器单颗芯片价格的确比AB类放大器贵；但他同时指出，由于不需要散热片，在一些大功率应用比如组合音响、家庭影院上，D类放大器和AB类放大器总成本比较接近。
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主要类型音频放大器简介及比较
A类放大器具有最佳的信号传真性(电压波形几乎无失真)，但却相当耗费电能，一般来说电能利用率只有20%-30%，而且高能耗也会产生高废热，需要在放大晶体管上配装很厚的散热片来帮助散热。虽然A类放大器电能利用率差，但信号完整是其可取之处，所以依然用在高档专业音响中，发烧友为了享受无失真的完美音质，不会太在乎多耗3倍的电能。
B类放大器电能利用率较高，理想状态可达到75%，但却有交越失真的问题，上下波形中必有其一会遭部分截断，而无法全波完整放大，如此若用在音响系统就会使声音明显粗糙变质。至于C类放大器则比B类更糟，上下两波形都失真，因此更无法用于传真性的放大应用中，多半只用在无线通信的射频系统上。
鉴于A类波形佳、能耗大，而B类却是用电佳、波形稍差(介于A类与C类之间)，人们便有了截补的想法，同时用上两个B类放大电路，将两者所剩的完整半波予以合并，以此达到与A类相同的全波效果，此即所谓的AB类放大器。AB类放大器的耗电依然低于A类放大器，若要同样实现一个输出功率达25W的系统，A类放大器需要100W，AB类放大器只需约66W，连散热片的体积也可以因此精简。
AB类是兼顾用电(也包含散热、体积)要求及音质要求的妥协性设计，而D类放大器也是如此，只是这次更加偏重在电路体积与电能利用率。
与上述各种音频放大器不同，D类放大器不是利用功率晶体管的线性工作区间特性来放大，而是用电压比较、脉宽调制等技术来放大。首先，D类放大器会将原始的模拟信号波形与比它更高频率的三角波(或锯齿波)进行电压比较，从而将以振幅高低性表示的信号调制成以脉波宽窄性表示的信号，此即是脉宽调制(PWM)，之后将PWM信号输出到MOSFET（金属-氧化物-半导体场效晶体管）上的栅极，以控制晶体管的导通、关闭，同时也在这个阶段进行信号功率放大，最后MOSFET的输出端连接LC(电感-电容)低通滤波电路，将PWM的载波滤除，使原始信号波形重新呈现。
D类放大器的缺点是以调变程序所形成的放大必然与原始信号有些出入，但在一般消费性的音乐播放上依然可被接受，相对而言，D类放大具有更多的益处，主要是极高的电能利用率，比AB类放大器更佳，也因此可再降低对散热片的依赖性，甚至在低功率时可完全将散热片舍弃。此外，其相关组件所需占用的电路面积、体积都将减小，这都使D类放大器更具优势。
音频放大器是重要的模拟器件，它的用途是在发声输出元件(如扬声器)上复现输入音频信号，这就要求放大器能保证复现的忠实性、高效率以及低失真度。在这一任务面前，D类放大器表现出多方面的优势。
占据便携式应用主流地位
如今，便携式应用已经成为电子产品发展的重要趋势，从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，差不多人人都拥有便携式电子产品。今后，将要陆续普及的还有便携式电视机，便携式DVD等。所有这些便携式电子产品的一个共同点就是都有音频输出，也就是都需要一个音频放大器；它们的另一个特点就是都由电池供电，都希望有较长的待机时间。D类放大器就是在此背景下得到了广泛的应用，它最主要的特点就是能够在保持最低失真的情况下实现最高的效率。
D类放大器概念的提出已有半个世纪的历史了，但直到最近几年才真正流行起来。德州仪器中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为告诉《中国电子报》记者：“在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器、B类放大器和AB类放大器。与D类放大器相比较，即使是最有效的线性输出级，它们的输出级功耗也很大。这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板(PCB)面积和成本，并且能够延长便携式系统电池的寿命。”
安森美半导体数字及消费产品部低压电源管理产品市场经理林欣欣在接受本报记者采访时也表示，D类放大器的高能效使其具有两项优势，其一是功耗低，能够延长电池供电设备的工作时间；其二是散热少，因为所需的PCB或散热片上散热面积较小，能用于更小巧的设计中。可见，便携式电子产品的确是D类放大器最适合的应用领域。
借低功耗优势拓展应用领域
当然，D类放大器的应用决不仅限于便携式的电子设备。目前，D类放大器不但在手机中得到广泛的应用，在个人电脑中也渐渐进入主流机型。在家电领域，32英寸以上的液晶电视几乎全部采用了D类功放，22英寸～26英寸的液晶电视中D类放大器也逐渐成为主流。传统的CRT(阴极射线管)电视机有很大的体积，其机箱内仍有宽裕的空间可容纳音效电路，散热及用电也可以跟显像管系统一并考虑，然而在液晶电视、平面喇叭盛行的今天，设计者力求短小轻薄与低耗电，这时AB类放大器就难以满足要求，因此同样需要考虑使用D类放大器。
车内音响及车用娱乐系统也是如此，车用电瓶的电力虽多于便携式产品的电池，但毕竟少于家用供电插座，加上汽车内部空间的限制，同样需要节省用电和压缩体积，这时也会考虑用D类放大器。
随着能源的日益紧张，对于能源效率方面的要求也逐步提高，尤其是对于电池供电系统，功耗的要求更为苛刻，所以未来对于效率最高的D类功率放大器的应用需求也会逐步增加。张洪为对记者举例说明了D类放大器在节能方面的巨大优势：一套使用AB类功放、额定功率为1000W的家用音响，平均播放功率为300W，其功放效率约为30%，浪费700W能量；而D类功放效率为85%，同样实现300W的平均播放功率，浪费能量约为53W。两相对比，AB类放大器能源浪费约为D类放大器能源浪费的13倍。
张洪为表示，即使是在顶级音响系统，由于新一代的数字功放技术可以达到100dB以上的信噪比，与AB类放大器相比毫不逊色，而且易于集成诸如动态范围控制、动态噪声消除、动态响度补偿、喇叭频响曲线补偿等数字技术，用于普通的喇叭也可以产生令人惊喜的效果。
新技术弥补性能缺陷
不过，在音频性能方面，AB类放大器的确比D类放大器更具优势。AB类放大器的“THD+N”(“总谐波失真+噪声”)值低，PSRR（电源电压抑制比）的绝对数值高，此外，AB类的应用中没有噼啪声和咔嗒声，噪声很小，而且开启时间和关闭时间都很短。D类的工作模式完全不同于AB类，会产生某些高频谐波。尽管这些谐波频率远远高于可听波频率，不能被人耳所感知，然而可能对设备的RF(射频)部分或者天线部分产生干扰，降低其灵敏度。因此，EMI(电磁干扰)是D类技术必须面对的一大挑战。
传统D类放大器需要外部LC(电感-电容)滤波器，这不仅增加了方案总成本和电路板空间，也可能因滤波元件的非线性而引入额外失真。幸好，很多现代D类放大器采用了先进的“免滤波器”调制方案，从而最大限度地降低了对外部滤波器的要求。美信集成产品公司中国区市场传播及应用支持经理魏智向《中国电子报》记者介绍道：“免滤波器工作方式的一个缺点就是可能通过扬声器电缆辐射EMI。如果在紧靠器件的位置没有安装外部输出滤波器的话，大量频谱能量就会通过扬声器电缆辐射出去。美信的免滤波器D类放大器采用享有专利的扩谱调制方案，可以缓解EMI的不利影响。”
有观点认为，D类音频放大器面临的另一个挑战是价格太高，其成本一般是AB类放大器的2倍到3倍。不过，美国国家半导体亚太区市场经理郭俊杰却对此观点提出异议，他认为，很难笼统地说D类放大器具有或不具有成本优势，这取决于具体的系统设计需求；系统成本决不是单个器件成本的累加，对于某些应用而言，采用看似成本较高的D类放大器其实有助于降低整个系统的成本。恩智浦半导体多重市场产品部大中华区高级市场经理张秋明也对记者表达了类似的观点。他承认，目前同等功率的D类放大器单颗芯片价格的确比AB类放大器贵；但他同时指出，由于不需要散热片，在一些大功率应用比如组合音响、家庭影院上，D类放大器和AB类放大器总成本比较接近。
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主要类型音频放大器简介及比较
A类放大器具有最佳的信号传真性(电压波形几乎无失真)，但却相当耗费电能，一般来说电能利用率只有20%-30%，而且高能耗也会产生高废热，需要在放大晶体管上配装很厚的散热片来帮助散热。虽然A类放大器电能利用率差，但信号完整是其可取之处，所以依然用在高档专业音响中，发烧友为了享受无失真的完美音质，不会太在乎多耗3倍的电能。
B类放大器电能利用率较高，理想状态可达到75%，但却有交越失真的问题，上下波形中必有其一会遭部分截断，而无法全波完整放大，如此若用在音响系统就会使声音明显粗糙变质。至于C类放大器则比B类更糟，上下两波形都失真，因此更无法用于传真性的放大应用中，多半只用在无线通信的射频系统上。
鉴于A类波形佳、能耗大，而B类却是用电佳、波形稍差(介于A类与C类之间)，人们便有了截补的想法，同时用上两个B类放大电路，将两者所剩的完整半波予以合并，以此达到与A类相同的全波效果，此即所谓的AB类放大器。AB类放大器的耗电依然低于A类放大器，若要同样实现一个输出功率达25W的系统，A类放大器需要100W，AB类放大器只需约66W，连散热片的体积也可以因此精简。
AB类是兼顾用电(也包含散热、体积)要求及音质要求的妥协性设计，而D类放大器也是如此，只是这次更加偏重在电路体积与电能利用率。
与上述各种音频放大器不同，D类放大器不是利用功率晶体管的线性工作区间特性来放大，而是用电压比较、脉宽调制等技术来放大。首先，D类放大器会将原始的模拟信号波形与比它更高频率的三角波(或锯齿波)进行电压比较，从而将以振幅高低性表示的信号调制成以脉波宽窄性表示的信号，此即是脉宽调制(PWM)，之后将PWM信号输出到MOSFET（金属-氧化物-半导体场效晶体管）上的栅极，以控制晶体管的导通、关闭，同时也在这个阶段进行信号功率放大，最后MOSFET的输出端连接LC(电感-电容)低通滤波电路，将PWM的载波滤除，使原始信号波形重新呈现。
D类放大器的缺点是以调变程序所形成的放大必然与原始信号有些出入，但在一般消费性的音乐播放上依然可被接受，相对而言，D类放大具有更多的益处，主要是极高的电能利用率，比AB类放大器更佳，也因此可再降低对散热片的依赖性，甚至在低功率时可完全将散热片舍弃。此外，其相关组件所需占用的电路面积、体积都将减小，这都使D类放大器更具优势。