如何D类放大器将低功耗系统提升到新水平
D 类音频功率放大器（APA）诞生至今已近 50 年。在相当长的一段时间里，它仅被少量应用于带宽受限的场景，例如公共广播系统与电话设备。但随着新一代集成式 D 类音频功率放大器的问世，这一局面即将改变 —— 该器件正逐步渗透到便携式计算机、电池供电音乐系统、无线通信设备及其他紧凑型 低功耗 系统等主流应用领域。
业界已逐渐形成共识：下一代电子设备的设计，必须充分利用 D 类放大器的高功率效率优势，借此降低系统散热压力。归根结底，D 类放大器能够有效减小系统体积、降低成本，同时延长电池供电系统的续航时间。
全集成式 D 类放大器
近年来，半导体制造工艺的突破才真正实现了集成式 D 类音频放大器的量产。如今，开关速度快、稳定性强的 DMOS 功率场效应晶体管（MOSFET）可与模拟电路集成在同一芯片上，不再需要分立的输出功率级电路。由此制成的 D 类音频功率放大器，能以极高的效率满足音乐带宽内紧凑型电池供电音频设备的应用需求。
在一项对比 D 类与 AB 类音频功率放大器功率效率的实验室测试中，D 类放大器将电池续航时间延长了2.5 倍。测试选用一款线性 AB 类音频功率放大器，搭配高低音音量控制模块、DC-DC 转换模块，由一节 9V 碱性电池供电，组装为评估平台接入测试系统。当 DC-DC 转换器因欠压锁定在 5.2V 时，系统会停机；随后电池电压回升，系统重新启动。该过程重复三次后，测试宣告结束。随后，测试人员将 AB 类放大器替换为 D 类放大器，重复上述全部流程。
需要特别说明的是，本次测试采用的是真实场景信号。实验中使用音乐信号而非实验室常用的正弦波或单音信号来评估放大器的功率效率 —— 与波形规则、幅值稳定的单音信号不同，音乐信号的幅值变化剧烈且毫无规律。换言之，音乐信号的波峰因数远高于单音信号。
使用峰位因子峰值因子可用于分析放大器之间的差异。本质上，峰值因子表示信号峰值与其有效值功率之间的差值：
波峰因子 = 10 对数（PPK/PRMS）
该参数有时也被称为 “功率余量”。音乐信号的波峰因数最高可达 15dB，这意味着其峰值功率可能达到有效值功率的 30 倍以上。采用音乐信号与正弦波信号测试，得到的 D 类、AB 类放大器功率效率结果存在显著差异（见图 1）。
图1. 音乐的峰值因子远高于实验室效率测试中通常使用的正弦波或音调。在比较测试结果时，这一点非常重要，因为峰值因子显著影响音频输出放大器的功率效率，正如这些计算效率所示。
图 1 中的仿真测试是在满功率条件下完成的 —— 此时输入信号幅值足够大，可驱动放大器输出达到电源轨电压且无削波失真。而在日常听音音量（远低于满功率）条件下，仿真结果的差异会更加悬殊：功率未达最大值时，线性放大器的效率下降速度远快于 D 类放大器。上述仿真数据与实际电池续航测试结果相互印证，充分证明D 类音频功率放大器的功率效率是线性放大器的 2-3 倍。
从本质上讲，音频功率放大器是一种特殊的运算放大器，其设计目标是驱动 20Hz-20kHz 频率范围内的低阻抗负载（通常为扬声器或耳机）。图 2 展示了典型 AB 类线性音频功率放大器的桥接负载（BTL）架构：输入电容与放大器输入电阻构成 RC 高通滤波器，可衰减 20Hz 以下的低频信号。
图2. 此图展示了典型Class-AB线性功率放大器的架构，用于桥接负载配置。输入电容与放大器的输入电阻形成一个RC高通滤波器，并衰减低于20 Hz的信号。
线性放大器的命名源于其工作特性：输出信号的瞬时幅值与输入信号幅值呈线性比例关系，该比例系数即为放大器的增益。要实现这一特性，输出晶体管必须被偏置在线性工作区。此时的输出晶体管相当于可变电阻，输入电压通过调节电阻值来产生所需的输出电压。放大器的输出电压由电源电压转换而来，电源电压与输出电压的差值会全部损耗在输出晶体管上。
即便没有输入信号，线性放大器的输出晶体管也始终处于导通状态，持续消耗静态电流。这一特性导致其功率效率极低，同时产生大量热量，必须依靠散热片将多余热量散发到周围空气中。
若要提升音频功率放大器的效率，唯一的途径是将输出晶体管作为开关器件而非可变电阻使用：晶体管导通时，电流流经电路，但管压降极小；晶体管关断时，管压降等于电源电压，但电流几乎为零。这种工作模式可最大限度降低 I²R 功率损耗 —— 而这正是 D 类音频功率放大器的核心工作原理。
D 类放大器的本质是带滤波的脉宽调制电路
D 类放大器本质上是一种开关模式功率传输电路，与个人计算机中常见的开关模式稳压器原理相似。两者的核心区别在于：开关模式稳压器以直流信号为参考来设定输出电压，而 D 类放大器则以音频输入信号作为参考。
D 类音频功率放大器通过脉宽调制（PWM） 技术对输入音频信号进行采样，再将采样信号还原为音频波形驱动负载。脉宽调制信号与数字信号类似，仅有高低两种电平状态：脉冲宽度越宽，代表信号幅值越大。这些脉冲信号用于控制功率场效应晶体管的通断，从而实现电源到负载的高效功率传输。放大器的输出端需配备滤波器，将脉宽调制输出信号平滑为模拟波形，最终输送至扬声器。
采用线性脉宽调制技术的 D 类音频功率放大器，其工作流程如下（见图 3）：首先将占空比 50%、频率远高于音频信号的方波输入积分器，生成同频率的三角波；随后比较器将三角波与音频输入信号进行比较，输出占空比随音频信号幅值变化的方波。最终产生的脉冲序列，其占空比与音频信号电平呈正比。这些脉冲信号以远高于音频输入信号的频率驱动输出晶体管通断。最后，无源电感电容（LC）低通滤波器滤除输出信号中的高频成分，仅将放大后的音频信号输送至负载。
图3. D类音频功率放大器的总体架构表明，该设备本质上是一个开关电源传输电路，类似于大多数个人电脑中使用的开关模式电压调节器。但与开关模式稳压器使用直流参考来设置输出电压不同， 使用音频输入信号作为参考，产生可变占空比方波。
图 3 所示为集成式 D 类音频功率放大器的架构，其核心特征是 DMOS 功率场效应晶体管与模拟电路集成在同一硅片上。这种集成设计缩小了输出驱动电路的体积，节省了电路板空间，同时减少了元器件数量。
要降低脉宽调制信号的失真度，必须满足三个条件：稳定的电源供应、线性度良好的三角波信号和响应速度快、精度高的电压比较器。此外，从脉宽调制输出端（低通滤波器前）提取反馈信号的操作也十分简便。
D 类放大器的系统设计要点
对于采用 D 类音频功率放大器的系统而言，印刷电路板（PCB）的布局设计直接决定放大器乃至整个系统的性能。不合理的布局会导致系统总谐波失真与噪声水平恶化数个数量级，同时也可通过优化布局来降低电磁干扰（EMI）。
为降低电源噪声并为放大器提供瞬时大电流，需在电源引脚附近配置去耦电容，同时靠近功率引脚布设高频旁路电容。放大器的模拟部分对噪声尤为敏感 —— 该阶段引入的任何噪声与失真，都会在输出级被进一步放大。因此，输入电路与输出电路需尽可能隔离，同时严格避免形成接地环路。遵循上述及其他成熟的 PCB 布局规范，可最大限度降低由电源与接地环路引入的失真。
采用 D 类放大器的音频系统，其 PCB 布局的另一核心要点是解调滤波器的设计与摆放。该低通滤波器的作用是滤除放大音频信号中的高频载波（即脉宽调制信号），其安装位置直接影响滤波效果。
若 D 类音频功率放大器的输出采用 H 桥或全桥架构，则两个输出端均需配置低通滤波器。设计人员通常会选择简单的无源 LC 滤波电路（见图 3）。为降低输出纹波，滤波器在通带内的幅频响应需保持平坦 —— 纹波会压缩输出信号的动态范围，降低波峰因数，同时引入不对称失真。滤波器的截止频率计算公式如下：
F0 = 1/（2π√LC）
这是一个二阶滤波器，其阻带衰减速率为-40dB / 十倍频程 。当信号频率提高 10 倍时，电感阻抗增大 10 倍，电容阻抗减小 10 倍；二者共同作用，可使负载端的高频信号幅值衰减为原来的 1/100（对应 - 40dB）。
D类放大器 滤波器设计考虑
设计低通滤波器时，工程师需综合考量多方面因素。每增加一组 LC 电路，滤波器的阶数就会提高 2 阶。滤波器的阶数与元器件选型需根据开关频率确定 —— 滤波器的核心功能是滤除输出信号中的开关频率成分，等效于对输出脉冲信号在一个占空比周期内进行均值处理。为确保输出信号能准确还原输入音频，开关频率需远高于音频信号的最高频率。但这里存在一个设计权衡：开关频率越高，开关损耗越大，放大器的效率就会随之降低。
设计时需特别注意：扬声器属于感性负载而非纯阻性负载，这会导致滤波器在截止频率 F0 处出现谐振峰。为抑制该谐振峰，可在负载（扬声器）两端串联一个阻尼电阻与电容。
滤波器的功率损耗同样是设计重点。由于电感串联在功率信号通路中，其直流串联电阻会降低输送至扬声器的功率，从而降低放大器效率。因此，应优先选用直流电阻低的电感。
电感的饱和电流是另一关键参数。若电感在工作过程中发生饱和，其等效阻抗会急剧下降至接近短路状态，无法对输出信号进行滤波，进而导致输出失真大幅增加。对于桥接负载（BTL）架构，为保证两路输出的匹配性，电感的容差需严格控制；电容的容差同样需要精准管控 —— 元器件参数的偏差会改变滤波器的频率响应，造成谐波失真增大、滤波性能下降。
此外，滤波器还会消耗 D 类音频功率放大器的部分静态电流。由于 D 类放大器 H 桥的输出是开关信号，滤波器中的电容会在每次信号跳变时进行充放电。因此，需选用漏电流小、等效串联电阻低的电容，以降低放大器的功率损耗。
若系统的扬声器端子支持用户外接设备，设计人员还需考虑额外的滤波器设计要点。首先，大多数低压 D 类放大器会采用 H 桥或桥接负载架构的功率场效应晶体管，目的是在既定电源电压下提升最大输出功率。而在桥接负载架构中，两个输出端子均不接地 —— 若用户将接地的导线接入输出端子，可能引发系统故障。
最后需要注意的是，低通滤波器是针对特定负载阻抗设计的。例如，为 8Ω 扬声器设计的滤波器，若接入 4Ω 扬声器，系统的高频响应会因带宽降低而衰减；反之，为 4Ω 扬声器设计的滤波器接入 8Ω 扬声器时，滤波器截止频率会升高，导致谐波失真增大，同时最大输出功率降低。
D 类放大器依靠高频开关工作，而高频开关是系统电磁干扰的主要来源。在未经过滤时，D 类音频功率放大器的输出是频率 200kHz-500kHz 的轨到轨方波信号。连接 H 桥输出端与低通滤波器的 PCB 走线、以及电感本身，都会产生电磁干扰。可通过两个途径抑制电磁干扰：一是选用屏蔽电感，二是缩短 H 桥与滤波器之间的走线长度。
电磁干扰的另一来源是输出脉宽调制信号的上升沿与下降沿：信号边沿越陡峭，对应的高频成分越丰富，产生的电磁干扰越强。这里又存在一个设计权衡：H 桥的开关损耗越低，放大器效率越高，但同时会加剧电磁干扰。通过优化元器件布局、缩短走线长度，可有效抑制高频产生的电磁干扰 —— 核心原则是将敏感的模拟电路与产生电磁干扰的功率级电路隔离开。
笔记本电脑是 D 类放大器的理想应用场景，其空间受限、且对能效要求严苛（需延长电池续航）（见图 4）。数字控制器（遵循 AC'97 标准）通过 PCI 总线收发数据，并为音频编解码器（AC'97）提供高质量的采样转换服务。音频编解码器作为数字控制器的从设备，负责完成数模转换、模数转换、音调调节、3D 立体声增强等模拟信号处理及混音功能。