中心議題：

• D類放大器的基本原理和設計
• D類驅動器IC的特性和益處

解決方案：

• 可編程死區時間
• 電平轉換機製
• 可靠性和噪聲抑製
• 高頻操作

綠色能源標準、更低成本和更高音頻保真度的需求正在推動D類放大器在高功率音頻中的應用。傳統的模擬實現（例如AB類拓撲結構）比較複雜且效率低
，但由於其對音頻的高保真性能
，占據了高端音頻市場。D類係統設計更簡單、更高效
，且提供媲美模擬放大器的高保真能力
，正在迅速縮小在高端音頻市場中的差距。

典型的D類音頻係統先把模擬音頻輸入信號轉換為數字PWM信號，在數字域進行功率放大，然後再把數字信號轉換成模擬音頻信號輸出。如圖1所示，輸入的音頻信號被送到一個脈衝寬度調製器（PWM），它由運算放大器和比較器組成
，調製器通過生成與音頻輸入信號瞬時值成正比的調製占空比信號對音頻數字化。
 

圖1：D類放大器的基本框圖
 

PWM信號進行適當的電平變換，然後送到柵極驅動器，這個驅動器控製由MOSFET（M1和M2）組成的雙態功率電路。放大後的信號然後通過輸出濾波器（消除PWM載波頻率），最zui終zhong僅jin僅jin放fang大da了le的de模mo擬ni音yin頻pin信xin號hao驅qu動dong揚yang聲sheng器qi。通tong過guo把ba濾lv波bo器qi輸shu入ru信xin號hao反fan饋kui到dao錯cuo誤wu放fang大da器qi輸shu入ru端duan，進jin行xing外wai部bu環huan路lu濾lv波bo
，降jiang低di了le失shi真zhen和he噪zao聲sheng，進jin一yi步bu提ti高gao了le音yin頻pin輸shu出chu保bao真zhen度du。

D類放大器設計

1.功效

傳統的模擬功率放大器依賴於線性放大電路
，很容易造成高功率損失。而相比之下


，D類放大器的功率效率可以達到90％或更高（這取決於設計）。這種高效率的益處是D類放大器技術所固有的，放大機製使用二進製轉換（通常是功率MOSFET）。這些開關或者完全導通或者完全關閉，隻有很少的時間花費在狀態轉換上。離散的開關動作和低MOSFET導通阻抗
，減少了I2R損耗
，提高了效率。然而，在實踐中

，開關轉換時間（死區時間）必須足夠長以避免兩開關同時運行時效率急劇下降。

2.高保真

音yin頻pin保bao真zhen度du可ke以yi被bei定ding義yi為wei聲sheng音yin再zai生sheng後hou的de完wan整zheng性xing，對dui於yu音yin頻pin係xi統tong，保bao真zhen度du一yi直zhi是shi聲sheng音yin質zhi量liang的de代dai名ming詞ci。同tong時shi其qi他ta指zhi標biao也ye被bei用yong於yu衡heng量liang保bao真zhen度du，部bu分fen指zhi標biao的de測ce量liang對dui設she計ji人ren員yuan來lai說shuo特te別bie具ju有you挑tiao戰zhan性xing。最zui具ju挑tiao戰zhan性xing的de兩liang個ge指zhi標biao是shi：總諧波失真（THD）和噪聲（N），統稱為THD+N。

THD是對音頻係統的精確測量，非常類似於高保真本身。再生信號的誤差來自於其他元件產生的輸入頻率諧波，明顯的區別於純輸出信號。THD是所有多餘的諧波頻率能量與基本輸入頻率能量的比值，典型的在給定係統的半功率下測量獲得。THD性能對於大多數非高保真音頻應用來說通常小於0.1%

，挑剔的聽眾通常需要THD等級低至0.05％甚至更低。

輸出噪聲等級是對沒有信號輸入的放大器輸出的本底噪聲電平的測量。對於大多數揚聲器來說，100-500µV的本底噪聲在正常的收聽距離內是聽不到的

，而達到1mV的本底噪聲就太吵了，所以，THD+N是衡量放大器音頻保真度的很好指標。

D類驅動器IC的特性和益處

1.可編程死區時間

D類放大器死區時間（即兩個開關均處於關閉狀態時的時間段）直接影響到效率和THD。過於短暫的死區時間會引起直通電流
，降低效率
，過長的死區時間又會增大THD，這會給音頻保真度帶來不利影響。
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必須精確設定死區時間
，找到使功率效率和THD都最優的“最佳位置”。當前典型高電壓音頻驅動器具有不精確的、重疊的死區時間設置（即1/n延遲值）。yinci

，duoshushejirenyuandouxuanzecaiyongfenliyuanjianlaichulisiqushijian，zhebujinhuafeigaoerqiehaoshijian。yigejianjieqiejingjidejiejuefangfashijichengjuyougaojingdusiqufashengqidezhajiqudongqi。

2.電平變換

由於輸入電平轉換的要求，實現雙態D類放大器可能有一定難度。 在高功率D類放大器中，最好為功率MOSFET階段提供高壓供電軌（±VSS）。實際D類放大器設計中

，±100Vdc電壓可以在8Ω負載上產生高達600W的音頻功率。

大多數現有高電壓IC（HVIC）D類驅動器缺乏將低壓調製部分轉為高壓電源部分的能力。能夠提供電平轉換的驅動器有也有其他不足，這使得它很難成為D類操作的理想選擇（例如，驅動器輸出接地端子采用負電壓軌，要求輸入驅動信號電平轉換到負電源）。通過分立器件添加該項功能，成本高
、設計難度大且占用大量空間，具備高電壓雙極供電接口的電平轉換解決方案是D類設計的顯著優勢。

通常，大多數驅動器解決方案不提供輸入輸出隔離，也不提供驅動器間的隔離，因此需要額外元件提供電平轉換機製。

圖3：低壓數字調製器與高壓雙極輸出電源之間接口需要電平轉換

3.可靠性和噪聲抑製

現有的典型柵極驅動器IC在20V/ns或更大的高電壓瞬變時容易發生鎖閉
，通常情況下對高轉換速率瞬變噪聲（從功率級反饋耦合到精確數字輸入端）沒有抑製作用。在試圖獲得最佳音頻保真度且保持本底噪聲盡可能低時
，缺乏噪聲抑製是其主要劣勢。

4.高頻操作

Dleizhajiqudongqidezuijiatexingzhiyishinenggouzaigaokaiguanpinlvxiayunxing，qiechuanboyanchizuixiao。zhexietexingshidezaifankuilujingshangdezongxunhuanyanchifeichangdi，huodejinkenenghaodezaoshengxingneng。genggaopinlvxiayunxingyetigaole“循環增益”
，改善了放大器的失真性能。現有的大多數HVIC驅動器僅支持最高1MHz的調製頻率。

5.集成度

在當今競爭激烈的全球市場上，集成了所有這些特性的解決方案，將為D類放大器設計人員提供很大便利
，他們可以通過縮短設計時間、減少元件數量、降低插入成本以及因較多器件數量而帶來的較低可靠性，從而使其產品盡早上市。

小結

D類放大器的特性遠遠超越了傳統模擬放大器，包括更低的THD
、更小的電路板空間
、更高的功率效率和更低的BOM成本。高集成的柵極驅動器IC對係統構架和音頻性能都有顯著的積極作用。Silicon Labs公司的Si8241/8244音頻驅動器是首個集成所有特性到單一IC封裝的高功率D類放大器解決方案。這些柵極驅動器的優點包括：為最低THD和最佳功效提供高精度死區時間設置

；無需為輸入信號電平轉換而增加複雜設計和器件數量；隔離的輸出驅動器，簡化雙態開關器實現
；對瞬變電源有較高抑製力。