D类音效功率放大器(ClassDAudioPowerAmplifier).docVIP

掌握」D類音效功率放大器（Class D Audio Power Amplifier）音質與用電的新妥協方案 （郭長佑／DigiT） 2005/06/20 ?導言：　老一代的電子電機人，在學校上課時多半只聽過A類、B類、C類的功率放大電路（常用在音響系統的後級擴大），以及折衷式設計的AB類，並對各者的特性優劣、運用時機有所瞭解，但曾幾何時世界上又多出了一種D類放大器，此物是從何而來的呢？　事實上，功率放大（簡稱：功放）電路不止ABC三類，也不是突然多出個D類，D類早已存在，其他還有E類、F類、G類、H類，甚至是跳跨列編的S類等，只是這些類型的電路運用機會低，或者與A、B、AB類相近再另行變化，所以也就鮮少提及。　 ▲圖說：美國國家半導體公司（National Semiconductor；NS）的高用電效益D類放大器：LM4670、LM4671，採行Tiny Micro SMD封裝，使其達到最小的空間精省與電路佈局彈性，另外也具有關閉模式以降低用電，適合用在手機、PDA等手持裝置。（圖片來源／N） 　AB類放大：音質與用電的妥協設計　為何今日會盛行D類放大器呢？在如此問之前其實應當問過去至今為何AB類會盛行？　在此我們不再詳述電路的細節運作原理，單就結果特性來說明，A類放大具有最佳的信號傳真性（電壓波形幾乎無失真），但卻相當耗用電能，一般來說電能利用率只有20％30％，舉例而言，倘若供應100W電力給A類放大機（擴大機），最後真正輸出到喇叭發聲功率的只有25W，其餘的75W統統是放大系統運作過程中的耗用，而且此一高耗能也會產生高廢熱，需要在放大電晶體上配裝厚高的散熱片來幫助散熱。雖然A類電能利用率差，但信號完整是其可取之處，所以依然用在高檔專業音響中，發燒友為了享受無失真的完美音質，不會太在乎多耗3倍的電能。　至於B類放大，其電能利用率較高，理想上可至75％，但卻有交越失真的問題，上下波形中有一者會遭部分截斷，而無法全波完整放大，如此若用在音響系統就會有明顯的聲音粗糙變質。至於C類放大比B類更糟，上下兩波形都失真，因此更無法用於傳真性的放大應用中，多半只用在無線通訊的RF射頻系統上。　既然A類波形佳、用電高，而B類卻是用電佳、波形稍差（介於A類與C類間），因此人們有了截補的想法，同時用上2個B類放大電路，將兩者所剩的完整半波予以合併，以此達到與A類相同的全波效果，此即是所謂的AB類放大（運作電路來自2個B類，呈現效果卻近A類），且用電上依然低於A類，若要同樣實現一個輸出放大達25W的系統，A類整體需要100W，AB類約只要66W，如此連散熱片的體積也可以因此精簡。今日絕大多數的消費性音響及視聽設備都是用AB類。　 ▲圖說：NS的D類放大器：LM4666、LM4668，LM4666是專供手持行動用的雙聲道喇叭放大器；LM4668則是切換式功率放大器，專供平面顯示器、平面電視、音效卡之用。（圖片來源／N） 　D類放大：爭取更高的體積與用電效益　很明顯的，AB類是兼顧用電（也包含散熱、體積）要求及音質要求的妥協性設計，而本文所要談論的D類也是如此，只是這次更加偏重在電路體積與電能利用率。　在此我們要稍微詳細地說明D類放大的原理，與ABC三類不同的，D類不是利用功率電晶體的線性工作區間特性來放大，不是用類比原理來放大，而是用上電壓比較、脈寬調變等技術來放大，也因此有人稱D類放大為數位式功率放大或數位功放。　首先，D類放大會將原始的類比信號波形，與比它更高頻率的三角波（或鋸齒波）進行電壓比較（透過電壓比較器），如此便可將以振幅高低性表示的信號調變成以脈波寬窄性表示的信號，此即是脈寬調變（Pulse Width Modulation；PWM），之後將PWM信號輸出到MOSFET場效電晶體上的閘極，以控制電晶體的導通、關閉，同時也在這個階段進行信號功率放大，最後MOSFET的輸出端連接LC（電感、電容）低通濾波電路，將PWM的載波濾除，使原始信號波形重新呈現。　瞭解原理後，再進一步去瞭解D類方式所呈現的優缺點，缺點是以調變程序所形成的放大必然與原始信號有些出入，但在一般消費性的音樂播放上依然可被接受，相對的D類放大提供了更多的益處，主要是極高的電能利用率，純理論上是100％運用，實務上也經常在80％、90％的層級，比AB類更佳，也因此可再降低散熱片的倚賴性，甚至在低功率時可完全將散熱片捨棄。此外連同其相關組件所需佔用的電路面積、體積，以及電路簡易性等，亦都是D類較優異。　更簡單說，D類與AB類一樣是妥協性的設計，在仍不錯的音質下進行大幅的用電、體積精省，這正是今日掌上型、行動式、手持式裝置所最鍾意的特質，現在絕大多數的手機、數位隨身聽、口袋電視、PDA、PMP等，其音效部分都採行D