D类放大器工作原理详解

现如今越来越多的智能设备出现在我们的生活中，智能手机、智能音箱、车机等已经普遍朝智能化的方向发展，随着功能的多样复杂化，我们需要简化硬件设计、降低产品功耗，减小产品体积，在这些设备中D类音频放大器被广泛使用，他的特性恰好能满足这些应用场景。

目前市面上主流的功放方案以AB（甲乙）类居多，A（甲）类和D类其次；众所周知，A类放大器线性度高，但输出功率小、效率低、发热大；B类放大器输出功率高、效率高、发热小，但存在交越失真，使得听感不如A类；所以目前市面上大多数音频功放芯片都采用的是AB类，在小功率时使用A类放大，大功率时使用B类放大，这样能减小这两种放大电路的缺点，达到保真度、效率、输出功率之间的均衡。

无论是A类还是B类，也不论驱动的晶体管是BJT还是MOS管，其都是使晶体管工作于线性区，利用晶体管对电流的放大作用进行工作的。D类功放电路与两种不同，它是使得晶体管工作在饱和区或截止区驱动外部电路工作的，这与AB类功放芯片工作方式差异很大，如果AB类工作在饱和和截止区的话，信号肯定失真很严重，那么这样的工作方式如何保证声音的线性放大呢，它又是怎么解决AB类功放的痛点问题呢？

PWM技术应用于生活中的方方面面，上图是使用PWM调压的原理，在一个脉冲周期内，改变高电平和低电平占空比，最终输出电压的平均值由高低电平所占的时间决定。手机充电器的AC-DC、台灯的亮度调节、直流电机的调速、保温箱温度控制等很多电器都运用了PWM的原理。D类放大器也是基于PWM技术进行工作的放大器电路。

D类放大器的工作需要将输出的模拟量信号转化为PWM信号，它通过将输入的正弦信号与一个n倍于输入信号频率三角波经过比较器进行比较，若在某一时刻正弦信号的电压高于三角波，比较器输出高电平，反之输出低电平，高低电平的持续时间由二者差值产生的时间决定，因此连续的正弦信号将被调制成连续的不同宽度的PWM波，其中PWM波的频率等于三角波的频率，这里我们设定输入信号的频率为50Hz，调制信号的频率为1000Hz。

此时驱动输出级的是高频PWM信号，已经完全看不到源信号的样子了，但仔细观察会发现源信号电压高的地方PWM信号的高电平占比高，电压低的地方低电平占比高，因此源信号强度和频率被转化为另一种形式表达出来，这就是连续不断的脉冲宽度的变化。这个信号并不是单一的周期信号，而是多个周期信号叠加起来的，我们可以从频域的角度去研究这个问题，对输出的信号做快速傅里叶变换：

可以看到光标所示位置为我们调制的三角波频率，光标之前的峰是输入信号源的频率，光标之后是高次谐波。为了得到需要的声音信号，我们需要滤除输入信号外的高频信号，这就需要使用低通滤波器，由于音响系统，通常输出阻抗低，输出电流大，我们通常采用LC滤波器而不是RC滤波器。

一阶巴特沃斯滤波器的计算公式fo=1/ $2\pi\sqrt{LC}$ ，选取L=2mH，C=1mF，计算得截止频率为113Hz，实际仿真结果为170Hz左右。

现在我们对各部分将各部分组合进行仿真实验：

可以看到，输出信号将输入信号反相（驱动级就是一个反相器）放大输出，观察波形并无明显失真，而且对于输出级由MOS管驱动，输出阻抗很小，保证了不会有太多功耗耗散在放大器上，这体现了D类放大器失真小，效率高，带载能力强的特点。

理论上D类放大器是不存在失真的，但由于电路设计和器件的性质难免造成信号失真现象，什么因素会影响到D类放大器的实际效果，如果用分立元件搭建D类放大器需要注意什么？

三角波的标准程度，三角波的每一点的斜率是否一致，若不一致会引起占空比失真。
三角波的频率越高理论上肯定是转化后的方波对输入正弦波的描述越细致，并且后级使用的LC滤波器的体积也可以更小，但频率是不是越大越好呢？当然不是！
三角波到PWM波的转化需要过一个比较器，若三角波的频率过高的话，PWM波的频率就越高，对于一个半导体器件来说存在寄生电容或者载流子迁移率不够，在高低电平切换的时候电压不是马上就切换过去的，需要一定的上升时间和下降时间，对于高频来说上升时间和下降时间在一个时钟周期内占比更大，由于上升时间和下降时间的带来的占空比失真效应也越明显，所以，PWM频率不是越高越好，当然我们在选择比较器和驱动的MOS管的时候也应该选择寄生电容小、压摆率高的器件。
输出电感电容带来的影响，一是影响滤波效果，二是电感选的不好产生磁饱和导致电感发烫并影响输出功率。
PCB的设计，由于输出的是PWM的信号，电流需要很强的短时间抽取和回流的能力，所以PCB走线设计通过的电流应尽量大一些。

注意：

本文仅作为基本D类放大器原理展示，实际音频应用场景比这个复杂，文中涉及的电路结构、器件参数、信号频率等是为了实验方便选取，不做为实际音频放大器设计参考。

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