目前隨著便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品(手機(jī)、MP3、便攜式GPS等等)的日益流行,人們對電池工作時間的要求也越來越高。這樣以效率高,失真小為特點(diǎn)的D類放大器就開始廣泛地應(yīng)用于這些產(chǎn)品當(dāng)中。對于小功率音頻產(chǎn)品,如手機(jī)、MP3、MP4等,使用D類放大器可以延長電池的使用壽命;對于大功率音頻產(chǎn)品,如多媒體音箱、功放等,使用D類放大器可以省去散熱片和使用小規(guī)格的變壓器,在節(jié)能環(huán)保的同時也降低了產(chǎn)品的總體成本。

　　一向以創(chuàng)新而著稱的埃派克森微電子（Apexone）涉足D類放大器市場后，先后推出了兩款代表產(chǎn)品——A7003和A7013。A7003是雙通道12W D類放大器，而A7013是單通道2.5W D類放大器。這兩款D類放大器相對其他同類產(chǎn)品，由于其獨(dú)特的架構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，性能上有了很大的提升。

　　埃派克森D類放大器的工作原理

　　與傳統(tǒng)的AB類不同的是，D類音頻放大器不是利用功率晶體管的線性工作區(qū)特性來放大音頻信號，而是利用電壓比較、脈寬調(diào)制等技術(shù)來放大音頻信號，故有人也稱D類放大器叫做數(shù)字功率放大器。

　　D類放大器將音頻輸入信號同高頻率的三角波(或鋸齒波)信號進(jìn)行電壓比較，將音頻信號的振幅調(diào)制成脈沖寬度，即脈寬調(diào)制(PWM)，之后將PWM信號輸出到CMOS晶體管的柵極，用以控制CMOS晶體管的導(dǎo)通和關(guān)閉，同時也在這個階段對輸出脈沖的功率進(jìn)行放大, 將CMOS晶體管的輸出信號連接到LC低通濾波器，將高頻的PWM信號濾掉，從而還原放大后的音頻信號。理論上D類放大器的效率是100%。

　　不同于其它公司的D類放大器， 埃派克森的A7003采用兩極負(fù)反饋，即除了芯片內(nèi)部輸出級負(fù)反饋以外，在外圍濾波器輸出處又增加了負(fù)反饋到芯片內(nèi)部，組成一個雙閉環(huán)電路（如圖1所示），這樣做雖然增加了芯片設(shè)計(jì)難度，但卻大大降低了因外圍元器件的非線形而造成的失真。A7003的THD+N在1W輸出時達(dá)到0.012%，遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品。

　　PWM載波頻率的選擇一般選擇10倍以上的音頻信號。一般人耳可識別的音頻范圍是20Hz-20kHz，因此，載波頻率一般在200kHz以上。當(dāng)CMOS晶體管以載波頻率快速導(dǎo)通關(guān)斷時，可能導(dǎo)致上下橋臂的CMOS晶體管直接導(dǎo)通，產(chǎn)生較大的沖擊電流，影響芯片的溫度，甚至燒壞芯片。為了避免這樣的情況發(fā)生，一般采用在導(dǎo)通時序上增加死區(qū)時間來規(guī)避，在上橋臂關(guān)閉后，隔一段時間后才打開下橋臂，如圖3。

　　圖1：埃派克森D類放大器工作原理框架圖。

　　圖2：脈寬調(diào)制的原理圖。

　　圖3：輸出控制時序的死區(qū)時間。

　　上述PWM的控制方法在沒有音頻信號輸入的時候，會輸出占空比為50%，相位相差180度的脈沖信號，設(shè)計(jì)不好會導(dǎo)致輸出級產(chǎn)生直流偏置電壓，不僅增加了輸出級的功率損耗，同時還會影響喇叭的動態(tài)響應(yīng)。為了解決這個問題，埃派克森D類放大器采用相位相同的PWM輸出波形，在無輸入信號的情況下，輸出級輸出50%占空比、相位相同的PWM，如圖4所示。當(dāng)有信號輸入時，輸出級一端占空比增加，而另一端占空比減少。通過輸出PWM信號占空比的不斷變化，在負(fù)載上產(chǎn)生不同的電壓，如圖5所示。

　　圖4：無輸入信號時PWM波形。

　　圖5：有輸入信號時PWM波形 。

　　埃派克森D類放大器的高效率

　　D類放大器的效率理論上可以達(dá)到100%，但實(shí)際上由于CMOS晶體管不是理想的開關(guān)，導(dǎo)通時的阻抗并不為0，因此輸出級的等效電路圖如圖6。

　　圖6：輸出級的等效電路圖。

　　那么，效率的計(jì)算公式應(yīng)該是：

　　假設(shè)CMOS晶體管導(dǎo)通電阻是0.3Ω，那么如果輸出接4Ω的喇叭，其效率大概在87%左右；如果輸出接8Ω的喇叭，其效率為93%。當(dāng)然，除了導(dǎo)通電阻的損耗以外，還有前面提到的開關(guān)損耗，以及偏置電流損耗，輸入電容充電損耗等等，所以一般的D類放大器在8Ω負(fù)載時效率為85%左右。但即便是這樣，D類放大器的效率仍要比目前市場上廣泛采用的AB類放大器效率高很多。

　　正因?yàn)槠涓咝?，對于要求輸?0W功率的時候，D類放大器只需要電源提供12W左右的功率，而AB類則需要電源提供20W左右的功率。這樣選用D類放大器就可以選擇相對較小的電源。同時，由于D類放大器的高效率，只有小部分的功率轉(zhuǎn)換為熱損耗，這樣可以適當(dāng)減少散熱片的尺寸，甚至不用散熱片。

　　圖7：D類放大器與AB類放大器的效率比較。

　　圖8 ：A7013EMI測試結(jié)果。

　　圖9：埃派克森的 架構(gòu)。

　　埃派克森的A7003在設(shè)計(jì)時將晶體管導(dǎo)通電阻進(jìn)一步降低，提高了效率，在雙通道12W滿功率持續(xù)工作時都無需散熱片。

　　高效率對延長那些利用電池供電的便攜設(shè)備（手機(jī)、MP4等）的待機(jī)時間具有重要意義，埃派克森的A7013在接8Ω喇叭的情況下，可以達(dá)到92%的效率。在實(shí)際應(yīng)用中，與相同功率級別的主流AB類放大器4990相比，在同等條件下，經(jīng)測試A7013可以比4990延長41%的工作時間。

　　埃派克森D的放大器的EMI設(shè)計(jì)

　　由于D類放大器的載波頻率較高，處理不當(dāng)?shù)脑挘瑫a(chǎn)生大量的高頻諧波分量，甚至干擾其他設(shè)備的正常工作。尤其對帶AM收音功能的設(shè)備，由于收音機(jī)的AM頻段是525K到1600KHz之間，D類放大器的載波頻率和它很接近，因此可能導(dǎo)致AM頻段無法收音或有雜音干擾。

　　另外，對于小功率的D類放大器，大部分都采用了無濾波器設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)省去了輸出級的濾波電感，利用喇叭本身的電感做濾波回路。這樣做雖然降低了產(chǎn)品的總體成本，但喇叭引線會引起EMI輻射。

　　埃派克森的A7013由于其采用了擁有自主EFS架構(gòu)，優(yōu)化了前級比較電路，同時比一般Class D架構(gòu)多反饋電路，它對外界的EMI干擾非常小，在實(shí)際應(yīng)用中無需磁珠和其他特別設(shè)計(jì)，可以富有余量地通過FCC的EMI標(biāo)準(zhǔn)。

　　除此而外，EFS架構(gòu)還提升了芯片的整體性能，減少了失真，使得PSRR和CMRR達(dá)到了81dB和82dB。詳情可見表1的A7013與市場主要產(chǎn)品性能比較表。

　　正因?yàn)镈類放大器的高效率，小尺寸的特點(diǎn)，D類放大器正在逐步取代傳統(tǒng)的線性放大器，廣泛的應(yīng)用到手機(jī)，LCD TV等領(lǐng)域。

　　表1.埃派克森A7013與主要同類產(chǎn)品性能比較