1 引言

　　音頻功率放大器 (APA) 技術的最新發展進一步提高了平板顯示器的音質，使之具有了與其優質圖像質量相稱的音響效果。

　　由于線性放大器的效率低下，平板顯示器業轉而采用D類APA作為音頻解決方案。D類APA的操作熱量更低，消耗的功率也少得多。采用D類APA的設計人員能夠進一步提高其應用的音頻功率性能，同時又不會增加熱量與功耗，從而可以保持體積較小的變壓器與穩壓器，并消除了采用散熱片的必要。事實上，D類APA甚至可以在增強功率性能的同時還能降低熱量與功耗。

　　為了最大化D類APA的性能，我們只需遵循有關文檔詳細要求的布局及測試程序即可。

　　2 線性APA的問題

　　線性APA由于電源通過線性放大器的輸出級晶體管產生的壓降而導致其自身效率低下。事實上，大多數情況下，其消耗的功率比所提供給喇叭的功率還要高。線性放大器之所以效率不高，原因在于電源通過線性放大器的輸出級晶體管產生的壓降。當線性放大器的輸出電壓信號與電源電壓不相等時，放大器會出現內部功率損失。當放大器的輸出電壓信號與電源電壓相等時，放大器又會產生失真，因為電壓信號被電源軌"剪切"了，請參見圖1。

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　　圖1 10-V、1-kHz正弦波剪切電源軌跡

　　剪切造成的失真影響聽覺享受，通常應當避免。因此，總會有從電壓至輸出電壓信號的內部壓降。壓降值由電源電壓 (VDD) 減去輸出電壓的RMS值獲得。壓降乘以平均電源電流IDD(avg)　就得到線性放大器的內部功耗。壓降越大，放大器的效率就越低。計算差動輸出線性放大器的簡單方程式如下：

　　h = (p*sqrt(2*PL*RL))/(4*VDD) (1)

　　其中，

　　PL = 喇叭獲得的功率

　　RL = 喇叭電阻

　　VDD = 電源電壓

　　從方程式1中，從12-V電源向8-ohm 喇叭提供3 W 功率的線性放大器的效率僅為45%，也就是說，立體聲解決方案的總功耗為13.3 W。一般17英寸LCD監視器(它還需要一個3 W放大器)的總功耗為90 W。在該例中，線性放大器可消耗提供給LCD監視器總功率的近15%。此外，放大器還散發7.3 W的熱量，這就要求采用較大的散熱片。

　　3 D類APA如何解決線性放大器的問題

　　與線性APA不同，D類APA的效率不取決于PL或VDD。從理論上講，D類APA的效率達100%，因為D類輸出晶體管是作為快速開啟與關閉的開關而發揮作用的。當晶體管開啟時，輸出電壓等于輸入電壓 (supply voltage)。如果晶體管是完全在理想狀況下的，那么就不會出現壓降，乘以平均電源電流時也就不會導致功率消耗。此外，當晶體管關閉時，它們則成為開放的電路，無電流通過該電路，因此相應也就沒有功耗。圖2顯示了D類APA--TPA3004D2的輸出波形圖。

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　　圖2 TPA3004D2、12-W立體聲D類APA輸出波形圖

　　不過，非理想狀態的晶體管在開啟時并非短路。因此，D類效率主要由輸出晶體管的導通電阻rds(on) 決定。計算D類放大器的簡單方程式如下：

　　h = (RL/(RL + rds(on))) x 100% (2)

　　應用前面決定線性放大器效率為45% 時相同的操作條件，且假定rds(on) 為0.58 ohm，這時得到D類的效率為93%。但是，隨著器件進入穩定的操作狀態而升溫，且rds(on) 也隨之升高，我們以 87% 作為效率值以對其進行更準確的反映。與線性放大器消耗的13 W相比，D類放大器的總功耗僅為6.8 W。由于功耗降低了48%，因此設計人員可采用更小的變壓器與穩壓器。此外，相比于線性放大器高達7.3 W 的功耗，D類功耗僅為0.8 W，因此并不要求采用散熱片。

　　250-kHz 的開關頻率對音頻信號進行最低 10 倍采樣，從而確保了音頻的高質量，與如今采用線性放大器的應用相當或優于目前應用水平。圖二給出的高頻PWM輸出波形帶有音頻信號。喇叭作為僅復制音頻頻率的低通濾波器發揮作用。在大多數應用中，在喇叭之前還要求進行最小過濾以減小 EMI。