移动与便携设备中的高效率放大器
美国国家半导体亚太区应用工程师 郭俊杰
由于消费者要求移动与便携设备有更小的外形，更长的电池寿命，设计者们正在寻求用高效率器件替代普通的线性放大器。虽然 AB 类放大器已称霸音频世界相当长的时间，但 D 类放大器能在所需效率与失真之间提供平衡。
A 类放大器
A 类放大器（图 1）对音频波形的两个半周使用相同的晶体管。在这种结构中，输出晶体管总是有电流通过，即使没有输入信号，输出晶体管也不会截止，通过晶体管的为直流电流。纯 A 类放大器效率非常低，即使没有音频输出也会产生大量热量。流经输出晶体管的电流与满功率情况下通过扬声器负载的驱动电流相当。许多人认为 A 类放大器的声音好于其它类型的放大器，这在某些方面可能是正确的。
A 类放大器的特性是高保真与低效率。保真意味着除了幅值以外，输出信号在各个方面都与输入信号非常相象，即它们有相同的形态与频率。某些情况下，输出信号与输入信号之间可能会有一个相位差（一般是 180o），但仍然能非常好地复制源信号。如果输出信号在形态或频率上与输入信号有差异，则信号就失真了。失真就是在输入至输出之间出现不期望的信号变化。
B 类放大器
B 类放大器（图 3）在波形的每个半周分别使用不同的晶体管进行放大。纯 B 类放大器一般不用于音频领域。在 B 类放大器中，会有少部分波形出现失真。我们知道，要使一只双极晶体管导通，需要在基极至射电极上施加大约为 0.7V 的电压。在纯 B 类放大器中，输出晶体管没有被偏置在 ON（导通）的工作状态。这意味着位于 0.7V 窗口中的那部分波形不会被准确放大。波形每个半周（正半周和负半周）的输出晶体管都有一个 0.7V 的不导通区域（图 4）。波形的失真部分叫做交越失真。信号中的这一失真是不希望出现的（与源信号相比）。图 5 显示的是交越失真的形状。
B 类放大器的效率是 A 类放大器的两倍，因为放大器件只在输入信号的一半时间导通（并消耗功率）。
AB 类放大器
A 类放大器效率低，不利于节能。B 类放大器则会造成信号失真，不适用于音频放大器。AB 类放大器（图 6）则是最佳的折衷方案。AB 类放大器是有恒定小偏置电流流过输出晶体管的 B 类放大器。这样可以消除交越失真。由于输出晶体管总是处于导通状态（即使没有音频输入信号时），所以总是有少量偏置电流通过。与纯 A 类放大器不同的是电流量大小不同。纯 A 类放大器的输出晶体管在没有音频信号时也要承受大量电流。纯 B 类放大器的输出晶体管在没有输入信号时则没有电流通过。
AB 类放大器的效率比 A 类放大器高很多，且没有 B 类放大器的失真问题。AB 类放大器的效率可高达 65%。
D 类放大器
这是由一个 H-桥和一个负载组成的开关式放大器（图 7）。负载包括扬声器阻抗和一个无源滤波器。H-桥控制通过扬声器的电流，LC 滤波器则过滤开关噪声。为了更好地说明为什么这种方式比传统线性放大器更适合于移动或便携设备，我们必须查看各种结构的优劣之处。
美国美国国家半导体公司的无滤波器 D 类放大器 LM4667（图 8）是全差分输入输出，用创新的调制器代替了 LC 输出滤波器。由于节省了输出滤波器，从而降低了元件数量，简化了电路设计，且减小了电路板面积。LM4667 用 Delta-sigma 调制技术处理模拟输入信号，与传统的脉宽调制方式相比，降低了输出噪声和 THD。
Delta-sigma 调制的优点
Delta-Sigma 调制的线性度优于 PWM（脉宽调制），此外还改善了噪底和 THD+N 性能。
AB 类放大器与 D 类放大器效率比较
图 9 显示效率比较曲线，上方的曲线是 D 类放大器的效率，下方的曲线是 AB 类放大器的效率。可以看到，满功率输出时两者的效率很接近（AB 类约 65%，D 类约 88%），只有 23% 的差别，但在实际应用中，多数时间里放大器的输出处于 1/3 到 1/2 功率，此时 AB 类放大器效率仅为 30-40%，而 D 类放大器则有 80% 以上。巨大的效率差（40% 以上）意味着无用功率（产生热量）和降低电池的使用时间。
总结
A 类放大器效率低，但是具有高保真。
B 类放大器一般不用于音频领域，因为 B 类放大器波形的一小部分会发生交越失真。落入 0.6V 窗口中的波形不能被准确地放大。
AB 类放大器效率比 A 类放大器高得多，并且没有 B 类放大器的失真问题。
D 类放大器的效率很高。效率的提高可以转化为更低的系统成本、更低的工作温度、更低的供电电压以及更低的功耗。AB 类放大器的实际工作效率在 30-40% 间徘徊，而D 类放大器的效率可轻易达到 80%。
本文摘自《世界电子元器件》
