改善音质与系统性能：D类放大器发展趋势

                  

      

来源：中国音响论坛

传统的D类放大器在通过功率MOSFET进行放大前，需使用一个控制器将模拟或数字音频转换为脉宽调制(PWM)信号，这个控制器一般集成在一个功率后端器件当中。这类放大器拥有高效率的优点，可采用小型(或不使用)散热器，并降低电源输出的功率要求。然而，与传统的A类和B类放大器相比，这类放大器在成本、性能和电磁干扰(EMI)等方面的存在着固有的系统问题。今后D类放大器将朝着解决这些问题的方向发展。

降低辐射EMI

自从D类放大器诞生以来，放大器轨对轨交换所带来的高强度辐射EMI问题就一直困扰着系统设计人员。这将导致设备无法获得所需的FCC和CISPR认证。在D类调制器内，通过将音频波形和一个高频恒定波形进行比较，并在固定载波频率的基础上对比较结果进行调制，使数字音频信号转换为PWM信号。产生的信号有多种脉宽，但只有一个固定载波频率(通常是几百千赫)。然后由一组高压功率MOSFET对这个PWM信号进行放大。在通过低通滤波器时，放大后的PWM信号的载波频率被消除并代之以原基带音频信号。

扩频调制机制常应用在带宽较宽的PMW信号交换中，它能够扩频能量。传统的PWM调制器通过改变PWM信号交换边界来校正过高的EMI。

虽然信号集中于载波频率，但每条边界却是周期到周期重复的。尽管这种机制有益于维持常恒定的载波频率，但由于边界并不总以恒定的速率交换，因此载波频率的辐射能量(和相关结果)都被大大降低了。

改善音质

当人们将D类放大器和A、B类放大器对比时，通常认为D类放大器的音质较差(高失真率和低动态范围)。殊不知D类放大器的设计人员目前也正在为改善音频质量而努力。新的解决方案中集成了高性能取样率转换器(SRC)和Δ-Σ处理，能够降低失真率(THD+N)并将动态范围提高100多个dB。

音频取样时钟内的抖动是目前D类放大器的噪声源之一。这类时钟通常是由SOC(如MPEG解码器、DSP等)产生的。由于调制器的输出是通过音频时钟计时的，因此哪怕只有少量抖动也会极大地影响音质，SRC正是针对这个问题的解决方案。SRC运用本地稳定时钟源(如石英振荡器)对数字音频重计时，因此调制器输出实际上独立于任意一个音频时钟上的抖动。SRC的另一个好处在于，无论输入音频取样率如何，它都拥有固定的交换率，这一点区别于那些采用PLL的调制器。

通过消除音频源改变和输入时钟丢失对音响造成的负面影响，SRC还改善了系统的耐用性。

降低系统成本

消费电子产品设计人员在功率级正在采用半桥放大器拓扑结构，简化了器件结构，降低了材料成本，从而解决了D类放大器成本偏高的问题。从名称上就能看出，半桥的输出仅为普通全桥输出的一半，功率MOSFET和外接滤波器件的数目也减少了1/2。器件数目的减少不仅有利于降低成本，而且有利于节省器件的占板空间，简化设计的复杂性，减少每个功率后端器件的通道数目。但半桥放大器输出时需要一个隔直流电容器，而且极容易受到交流电源轨的影响而产生噪声。

电源抑制反馈
 
由于半桥是一个单端点拓扑结构，因此它没有各种全桥拓扑结构中常规的模式抑制。在全桥放大器中，放大器的各类输出都通过同一个电源供电，共用电源噪声将影响所有输出效果。在半桥中，任何源于电源的交流电波噪声都会耦合到输出中。半桥对电源噪声的敏感性决定了采用电源抑制反馈(PRS)的必要性。

虽然模拟D类放大器内置了若干PRS，但数字D类放大器却没有。目前，数字PSR应用外接模/数转换器(ADC)来监测放大器电源。调制器数字部分负责反馈和噪声消除处理。有些厂商只将这种反馈用于补偿PWM输出的电源轨的交流电噪声，降低了系统的整体性能。而另一些厂商还将它作为对直流电源级改变(衰减)的补偿手段，这种变化通常是使用低频率音频(超重低音喇叭)或电力线波动所造成的**电流浪涌引起的。

经过了以上技术进步，D类放大器的性能表现也可与传统的直线放大器旗鼓相当。数字信号处理已克服了声音处理中历史性的模拟难题。有了性能更好的数字放大器解决方案，工程师们将能够更便捷地将其集成到日益成为主流的数字系统当中。