D 類音頻功率放大器（APA）誕生至今已近 50 年。在相當(dāng)長的一段時間里，它僅被少量應(yīng)用于帶寬受限的場景，例如公共廣播系統(tǒng)與電話設(shè)備。但隨著新一代集成式 D 類音頻功率放大器的問世，這一局面即將改變 —— 該器件正逐步滲透到便攜式計算機(jī)、電池供電音樂系統(tǒng)、無線通信設(shè)備及其他緊湊型低功耗系統(tǒng)等主流應(yīng)用領(lǐng)域。

業(yè)界已逐漸形成共識：下一代電子設(shè)備的設(shè)計，必須充分利用 D 類放大器的高功率效率優(yōu)勢，借此降低系統(tǒng)散熱壓力。歸根結(jié)底，D 類放大器能夠有效減小系統(tǒng)體積、降低成本，同時延長電池供電系統(tǒng)的續(xù)航時間。

全集成式 D 類放大器

近年來，半導(dǎo)體制造工藝的突破才真正實現(xiàn)了集成式 D 類音頻放大器的量產(chǎn)。如今，開關(guān)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)的 DMOS 功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）可與模擬電路集成在同一芯片上，不再需要分立的輸出功率級電路。由此制成的 D 類音頻功率放大器，能以極高的效率滿足音樂帶寬內(nèi)緊湊型電池供電音頻設(shè)備的應(yīng)用需求。

在一項對比 D 類與 AB 類音頻功率放大器功率效率的實驗室測試中，D 類放大器將電池續(xù)航時間延長了2.5 倍。測試選用一款線性 AB 類音頻功率放大器，搭配高低音音量控制模塊、DC-DC 轉(zhuǎn)換模塊，由一節(jié) 9V 堿性電池供電，組裝為評估平臺接入測試系統(tǒng)。當(dāng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器因欠壓鎖定在 5.2V 時，系統(tǒng)會停機(jī)；隨后電池電壓回升，系統(tǒng)重新啟動。該過程重復(fù)三次后，測試宣告結(jié)束。隨后，測試人員將 AB 類放大器替換為 D 類放大器，重復(fù)上述全部流程。

需要特別說明的是，本次測試采用的是真實場景信號。實驗中使用音樂信號而非實驗室常用的正弦波或單音信號來評估放大器的功率效率 —— 與波形規(guī)則、幅值穩(wěn)定的單音信號不同，音樂信號的幅值變化劇烈且毫無規(guī)律。換言之，音樂信號的波峰因數(shù)遠(yuǎn)高于單音信號。

使用峰位因子峰值因子可用于分析放大器之間的差異。本質(zhì)上，峰值因子表示信號峰值與其有效值功率之間的差值：

波峰因子 = 10 對數(shù)（P_PK/P_RMS）

該參數(shù)有時也被稱為 “功率余量”。音樂信號的波峰因數(shù)最高可達(dá) 15dB，這意味著其峰值功率可能達(dá)到有效值功率的 30 倍以上。采用音樂信號與正弦波信號測試，得到的 D 類、AB 類放大器功率效率結(jié)果存在顯著差異（見圖 1）。

1. 音樂的峰值因子遠(yuǎn)高于實驗室效率測試中通常使用的正弦波或音調(diào)。在比較測試結(jié)果時，這一點非常重要，因為峰值因子顯著影響音頻輸出放大器的功率效率，正如這些計算效率所示。

圖 1 中的仿真測試是在滿功率條件下完成的 —— 此時輸入信號幅值足夠大，可驅(qū)動放大器輸出達(dá)到電源軌電壓且無削波失真。而在日常聽音音量（遠(yuǎn)低于滿功率）條件下，仿真結(jié)果的差異會更加懸殊：功率未達(dá)最大值時，線性放大器的效率下降速度遠(yuǎn)快于 D 類放大器。上述仿真數(shù)據(jù)與實際電池續(xù)航測試結(jié)果相互印證，充分證明D 類音頻功率放大器的功率效率是線性放大器的 2-3 倍。

從本質(zhì)上講，音頻功率放大器是一種特殊的運算放大器，其設(shè)計目標(biāo)是驅(qū)動 20Hz-20kHz 頻率范圍內(nèi)的低阻抗負(fù)載（通常為揚聲器或耳機(jī)）。圖 2 展示了典型 AB 類線性音頻功率放大器的橋接負(fù)載（BTL）架構(gòu)：輸入電容與放大器輸入電阻構(gòu)成 RC 高通濾波器，可衰減 20Hz 以下的低頻信號。

2. 此圖展示了典型Class-AB線性功率放大器的架構(gòu)，用于橋接負(fù)載配置。輸入電容與放大器的輸入電阻形成一個RC高通濾波器，并衰減低于20 Hz的信號。

線性放大器的命名源于其工作特性：輸出信號的瞬時幅值與輸入信號幅值呈線性比例關(guān)系，該比例系數(shù)即為放大器的增益。要實現(xiàn)這一特性，輸出晶體管必須被偏置在線性工作區(qū)。此時的輸出晶體管相當(dāng)于可變電阻，輸入電壓通過調(diào)節(jié)電阻值來產(chǎn)生所需的輸出電壓。放大器的輸出電壓由電源電壓轉(zhuǎn)換而來，電源電壓與輸出電壓的差值會全部損耗在輸出晶體管上。

即便沒有輸入信號，線性放大器的輸出晶體管也始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，持續(xù)消耗靜態(tài)電流。這一特性導(dǎo)致其功率效率極低，同時產(chǎn)生大量熱量，必須依靠散熱片將多余熱量散發(fā)到周圍空氣中。

若要提升音頻功率放大器的效率，唯一的途徑是將輸出晶體管作為開關(guān)器件而非可變電阻使用：晶體管導(dǎo)通時，電流流經(jīng)電路，但管壓降極小；晶體管關(guān)斷時，管壓降等于電源電壓，但電流幾乎為零。這種工作模式可最大限度降低 I2R 功率損耗 —— 而這正是 D 類音頻功率放大器的核心工作原理。

D 類放大器的本質(zhì)是帶濾波的脈寬調(diào)制電路

D 類放大器本質(zhì)上是一種開關(guān)模式功率傳輸電路，與個人計算機(jī)中常見的開關(guān)模式穩(wěn)壓器原理相似。兩者的核心區(qū)別在于：開關(guān)模式穩(wěn)壓器以直流信號為參考來設(shè)定輸出電壓，而 D 類放大器則以音頻輸入信號作為參考。

D 類音頻功率放大器通過脈寬調(diào)制（PWM） 技術(shù)對輸入音頻信號進(jìn)行采樣，再將采樣信號還原為音頻波形驅(qū)動負(fù)載。脈寬調(diào)制信號與數(shù)字信號類似，僅有高低兩種電平狀態(tài)：脈沖寬度越寬，代表信號幅值越大。這些脈沖信號用于控制功率場效應(yīng)晶體管的通斷，從而實現(xiàn)電源到負(fù)載的高效功率傳輸。放大器的輸出端需配備濾波器，將脈寬調(diào)制輸出信號平滑為模擬波形，最終輸送至揚聲器。

采用線性脈寬調(diào)制技術(shù)的 D 類音頻功率放大器，其工作流程如下（見圖 3）：首先將占空比 50%、頻率遠(yuǎn)高于音頻信號的方波輸入積分器，生成同頻率的三角波；隨后比較器將三角波與音頻輸入信號進(jìn)行比較，輸出占空比隨音頻信號幅值變化的方波。最終產(chǎn)生的脈沖序列，其占空比與音頻信號電平呈正比。這些脈沖信號以遠(yuǎn)高于音頻輸入信號的頻率驅(qū)動輸出晶體管通斷。最后，無源電感電容（LC）低通濾波器濾除輸出信號中的高頻成分，僅將放大后的音頻信號輸送至負(fù)載。

3. D類音頻功率放大器的總體架構(gòu)表明，該設(shè)備本質(zhì)上是一個開關(guān)電源傳輸電路，類似于大多數(shù)個人電腦中使用的開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器。但與開關(guān)模式穩(wěn)壓器使用直流參考來設(shè)置輸出電壓不同，D類放大器使用音頻輸入信號作為參考，產(chǎn)生可變占空比方波。

圖 3 所示為集成式 D 類音頻功率放大器的架構(gòu)，其核心特征是 DMOS 功率場效應(yīng)晶體管與模擬電路集成在同一硅片上。這種集成設(shè)計縮小了輸出驅(qū)動電路的體積，節(jié)省了電路板空間，同時減少了元器件數(shù)量。

要降低脈寬調(diào)制信號的失真度，必須滿足三個條件：穩(wěn)定的電源供應(yīng)、線性度良好的三角波信號和響應(yīng)速度快、精度高的電壓比較器。此外，從脈寬調(diào)制輸出端（低通濾波器前）提取反饋信號的操作也十分簡便。

D 類放大器的系統(tǒng)設(shè)計要點

對于采用 D 類音頻功率放大器的系統(tǒng)而言，印刷電路板（PCB）的布局設(shè)計直接決定放大器乃至整個系統(tǒng)的性能。不合理的布局會導(dǎo)致系統(tǒng)總諧波失真與噪聲水平惡化數(shù)個數(shù)量級，同時也可通過優(yōu)化布局來降低電磁干擾（EMI）。

為降低電源噪聲并為放大器提供瞬時大電流，需在電源引腳附近配置去耦電容，同時靠近功率引腳布設(shè)高頻旁路電容。放大器的模擬部分對噪聲尤為敏感 —— 該階段引入的任何噪聲與失真，都會在輸出級被進(jìn)一步放大。因此，輸入電路與輸出電路需盡可能隔離，同時嚴(yán)格避免形成接地環(huán)路。遵循上述及其他成熟的 PCB 布局規(guī)范，可最大限度降低由電源與接地環(huán)路引入的失真。

采用 D 類放大器的音頻系統(tǒng)，其 PCB 布局的另一核心要點是解調(diào)濾波器的設(shè)計與擺放。該低通濾波器的作用是濾除放大音頻信號中的高頻載波（即脈寬調(diào)制信號），其安裝位置直接影響濾波效果。

若 D 類音頻功率放大器的輸出采用 H 橋或全橋架構(gòu)，則兩個輸出端均需配置低通濾波器。設(shè)計人員通常會選擇簡單的無源 LC 濾波電路（見圖 3）。為降低輸出紋波，濾波器在通帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)需保持平坦 —— 紋波會壓縮輸出信號的動態(tài)范圍，降低波峰因數(shù)，同時引入不對稱失真。濾波器的截止頻率計算公式如下：

F₀ = 1/（2π√LC）

這是一個二階濾波器，其阻帶衰減速率為-40dB / 十倍頻程 。當(dāng)信號頻率提高 10 倍時，電感阻抗增大 10 倍，電容阻抗減小 10 倍；二者共同作用，可使負(fù)載端的高頻信號幅值衰減為原來的 1/100（對應(yīng) - 40dB）。

D類放大器濾波器設(shè)計考慮

設(shè)計低通濾波器時，工程師需綜合考量多方面因素。每增加一組 LC 電路，濾波器的階數(shù)就會提高 2 階。濾波器的階數(shù)與元器件選型需根據(jù)開關(guān)頻率確定 —— 濾波器的核心功能是濾除輸出信號中的開關(guān)頻率成分，等效于對輸出脈沖信號在一個占空比周期內(nèi)進(jìn)行均值處理。為確保輸出信號能準(zhǔn)確還原輸入音頻，開關(guān)頻率需遠(yuǎn)高于音頻信號的最高頻率。但這里存在一個設(shè)計權(quán)衡：開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大，放大器的效率就會隨之降低。

設(shè)計時需特別注意：揚聲器屬于感性負(fù)載而非純阻性負(fù)載，這會導(dǎo)致濾波器在截止頻率 F0 處出現(xiàn)諧振峰。為抑制該諧振峰，可在負(fù)載（揚聲器）兩端串聯(lián)一個阻尼電阻與電容。

濾波器的功率損耗同樣是設(shè)計重點。由于電感串聯(lián)在功率信號通路中，其直流串聯(lián)電阻會降低輸送至揚聲器的功率，從而降低放大器效率。因此，應(yīng)優(yōu)先選用直流電阻低的電感。

電感的飽和電流是另一關(guān)鍵參數(shù)。若電感在工作過程中發(fā)生飽和，其等效阻抗會急劇下降至接近短路狀態(tài)，無法對輸出信號進(jìn)行濾波，進(jìn)而導(dǎo)致輸出失真大幅增加。對于橋接負(fù)載（BTL）架構(gòu)，為保證兩路輸出的匹配性，電感的容差需嚴(yán)格控制；電容的容差同樣需要精準(zhǔn)管控 —— 元器件參數(shù)的偏差會改變?yōu)V波器的頻率響應(yīng)，造成諧波失真增大、濾波性能下降。

此外，濾波器還會消耗 D 類音頻功率放大器的部分靜態(tài)電流。由于 D 類放大器 H 橋的輸出是開關(guān)信號，濾波器中的電容會在每次信號跳變時進(jìn)行充放電。因此，需選用漏電流小、等效串聯(lián)電阻低的電容，以降低放大器的功率損耗。

若系統(tǒng)的揚聲器端子支持用戶外接設(shè)備，設(shè)計人員還需考慮額外的濾波器設(shè)計要點。首先，大多數(shù)低壓 D 類放大器會采用 H 橋或橋接負(fù)載架構(gòu)的功率場效應(yīng)晶體管，目的是在既定電源電壓下提升最大輸出功率。而在橋接負(fù)載架構(gòu)中，兩個輸出端子均不接地 —— 若用戶將接地的導(dǎo)線接入輸出端子，可能引發(fā)系統(tǒng)故障。

最后需要注意的是，低通濾波器是針對特定負(fù)載阻抗設(shè)計的。例如，為 8Ω 揚聲器設(shè)計的濾波器，若接入 4Ω 揚聲器，系統(tǒng)的高頻響應(yīng)會因帶寬降低而衰減；反之，為 4Ω 揚聲器設(shè)計的濾波器接入 8Ω 揚聲器時，濾波器截止頻率會升高，導(dǎo)致諧波失真增大，同時最大輸出功率降低。

D 類放大器依靠高頻開關(guān)工作，而高頻開關(guān)是系統(tǒng)電磁干擾的主要來源。在未經(jīng)過濾時，D 類音頻功率放大器的輸出是頻率 200kHz-500kHz 的軌到軌方波信號。連接 H 橋輸出端與低通濾波器的 PCB 走線、以及電感本身，都會產(chǎn)生電磁干擾。可通過兩個途徑抑制電磁干擾：一是選用屏蔽電感，二是縮短 H 橋與濾波器之間的走線長度。

電磁干擾的另一來源是輸出脈寬調(diào)制信號的上升沿與下降沿：信號邊沿越陡峭，對應(yīng)的高頻成分越豐富，產(chǎn)生的電磁干擾越強(qiáng)。這里又存在一個設(shè)計權(quán)衡：H 橋的開關(guān)損耗越低，放大器效率越高，但同時會加劇電磁干擾。通過優(yōu)化元器件布局、縮短走線長度，可有效抑制高頻產(chǎn)生的電磁干擾 —— 核心原則是將敏感的模擬電路與產(chǎn)生電磁干擾的功率級電路隔離開。

筆記本電腦是 D 類放大器的理想應(yīng)用場景，其空間受限、且對能效要求嚴(yán)苛（需延長電池續(xù)航）（見圖 4）。數(shù)字控制器（遵循 AC'97 標(biāo)準(zhǔn)）通過 PCI 總線收發(fā)數(shù)據(jù)，并為音頻編解碼器（AC'97）提供高質(zhì)量的采樣轉(zhuǎn)換服務(wù)。音頻編解碼器作為數(shù)字控制器的從設(shè)備，負(fù)責(zé)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、音調(diào)調(diào)節(jié)、3D 立體聲增強(qiáng)等模擬信號處理及混音功能。

4. 筆記本電腦非常適合D類放大器。數(shù)字控制器接收并傳輸來自PCI總線的數(shù)據(jù)，并為音頻編解碼器執(zhí)行高質(zhì)量的采樣轉(zhuǎn)換。編解碼器作為控制器的從屬，控制器隨后執(zhí)行數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換、模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換、模擬處理和混音。

音頻編解碼器接收來自麥克風(fēng)、CD/DVD 或外部線路輸入的模擬信號并進(jìn)行混音處理，同時可為耳機(jī)（帶 / 不帶麥克風(fēng)）、揚聲器、免提電話或調(diào)制解調(diào)器提供外部輸出接口。D 類放大器可通過編解碼器的模擬線路輸出接口與之相連。

圖 5 展示了筆記本電腦音頻編解碼器、D 類音頻功率放大器與揚聲器的連接架構(gòu)：輸入電容與放大器輸入電阻串聯(lián)，構(gòu)成高通濾波器。

5. 該框圖展示了筆記本電腦中的音頻編解碼器、D類音頻功率放大器和揚聲器之間的連接。輸入電容與放大器的輸入電阻串聯(lián)，形成一個高通濾波器，阻斷任何脫電信號。

該高通濾波器的作用是阻斷直流信號，其 - 3dB 低頻截止頻率（F_LO）設(shè)定為 20Hz，計算公式如下：

F_LO = 1/（2πRC）

由于輸入信號幅值較小，濾波電容可選用小型貼片陶瓷電容。與電解電容相比，陶瓷電容體積更小、等效串聯(lián)電阻更低、使用壽命更長。若系統(tǒng)需在寬溫、高溫環(huán)境下工作，還需重點考量電容的容差與溫度穩(wěn)定性。

如前文所述，輸出端的二階 LC 低通濾波器決定了系統(tǒng)的高頻截止頻率（f_HI），且該濾波器需匹配特定的負(fù)載阻抗。

對于橋接負(fù)載（BTL）架構(gòu)，濾波器電容與電感的取值計算公式如下：

C_BTL = 1/（√2 × RL × ω₀)

L_BTL = （√2 × RL） / （2 × ω₀₎

其中 ω₀ = 2πf_HI是以弧度每秒為單位的頻率。

濾波器的高頻截止頻率需滿足兩個條件：一是遠(yuǎn)高于 D 類音頻功率放大器的最高工作頻率，避免衰減音頻信號；二是足夠低，以抑制開關(guān)頻率（f_S）帶來的開關(guān)損耗。例如，若要將 250kHz 的開關(guān)頻率信號衰減至音頻信號幅值的 1%（對應(yīng) - 40dB），對于二階濾波器，需將高頻截止頻率 f_HI 設(shè)定為 25kHz—— 該頻率足以保證音頻頻段信號不受衰減。

將 fHI 代入公式計算可得 ω₀ = 157krad/s。若負(fù)載阻抗 R_L = 4Ω，則可計算出：L_BTL = 18 μH，C_BTL = 1.1 μF。

工程實踐中，可選用標(biāo)準(zhǔn)值電容 1μF 與電感 18μH。輸出濾波器的電容與電感均可采用貼片器件，進(jìn)一步減小電路板占用空間。

輸出濾波器中另外兩個標(biāo)注為 “C” 的電容，可作為高頻旁路電容接地，其容值通常取 2C_BTL 的 10% 左右。若開關(guān)頻率接近音頻頻段，需在 C_BTL 支路串聯(lián)阻尼電阻，電阻阻值需根據(jù)揚聲器的阻抗特性確定。

放大器內(nèi)部三角波發(fā)生器的振蕩頻率，可通過外接電容 COSC 在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。該電容需選用溫度穩(wěn)定性好、容差小的陶瓷電容 —— 三角波信號的非線性失真會傳導(dǎo)至整個系統(tǒng)，影響最終輸出音質(zhì)。提高開關(guān)頻率 fS 可提升輸出信號分辨率與濾波器的衰減效果，但同時會增加晶體管與濾波器的功率損耗。

設(shè)計人員還需關(guān)注放大器的控制引腳。大多數(shù)音頻功率放大器都配備關(guān)斷引腳，可將放大器置于低功耗休眠模式。該引腳可與耳機(jī)插孔聯(lián)動：當(dāng)用戶插入耳機(jī)時，放大器自動關(guān)斷，揚聲器停止工作。D 類放大器的另一項優(yōu)勢是具備故障告警功能—— 當(dāng)出現(xiàn)欠壓、熱過載等故障時，器件可向系統(tǒng)發(fā)出告警信號。系統(tǒng)可通過監(jiān)測這些引腳的狀態(tài)，快速定位故障原因。

接地設(shè)計要點

實踐證明，只要遵循成熟的 PCB 布局規(guī)范，完整接地層抑制電路板電氣噪聲的效果，完全不遜于分裂接地層或星形接地架構(gòu)。

星形接地的原理是：所有電路的接地端均連接至同一點；分裂接地層常見于數(shù)模混合系統(tǒng)，用于隔離模擬接地層與數(shù)字接地層。

分裂接地層的兩層接地平面之間存在寄生電感，雖可衰減部分噪聲，但也可能導(dǎo)致接地電位不均。而完整接地層的電阻極低，當(dāng)遭遇電壓或電流尖峰干擾時，整個接地層的電位會同步升降，避免電位差引發(fā)的噪聲。采用完整接地層設(shè)計，不僅能簡化 PCB 布局，還可降低布局失誤的概率。

完整接地層的設(shè)計效果，很大程度上取決于 D 類放大器的架構(gòu)。若器件架構(gòu)支持將輸入與輸出電路在芯片上物理隔離，則可有效避免中高頻回流電流竄入芯片的模擬輸入部分。

模擬電路的接地走線應(yīng)盡可能短，并通過過孔直接連接至芯片下方的接地層；功率電路的接地端則應(yīng)遠(yuǎn)離芯片，靠近信號與功率輸出端布設(shè)。這種布局方式可利用接地層將大電流輸出走線與輸入電路隔離開，防止輸出干擾耦合至輸入級。

下一代放大器的發(fā)展前景

D 類音頻功率放大器的諸多優(yōu)勢，將助力設(shè)計人員開發(fā)出新一代電子設(shè)備。其高功率效率可延長便攜式系統(tǒng)的電池續(xù)航時間；同時，高效率意味著更低的散熱損耗，從而減少散熱片等熱管理器件的使用 —— 這一點對便攜式設(shè)備尤為重要，既能節(jié)省電路板空間，又可實現(xiàn)設(shè)備小型化設(shè)計。

由于 D 類放大器的技術(shù)原理與傳統(tǒng) AB 類線性音頻功率放大器截然不同，設(shè)計人員在應(yīng)用 D 類器件時，需重點關(guān)注全新的設(shè)計要點。正如開關(guān)模式穩(wěn)壓器普及初期一樣，工程師需要一定時間熟悉 D 類放大器的設(shè)計規(guī)則，但毫無疑問，這項技術(shù)帶來的收益遠(yuǎn)大于學(xué)習(xí)成本。