简介
      大部分音响系统设计师知道D类放大器相比线性音频放大器（例如A类，B类和AB类）的功效优势。当线性放大器工作时，大量的能量消耗在直流偏置和输出晶体管的线性工作区上。 而D类放大器的输出晶体管主要用来引导电流通过负载，工作在开关状态，因此在输出级上仅消耗很少的功率。D类功放的功耗主要由输出晶体管的导通电阻，开关损耗和前级静态电流引起。 大部分功率放大器的功率损耗以热量形式散发。 因为D类放大器可以大大减少产热，他们成为紧凑大功率应用中的理想选择。 
      过去， 基于PWM的经典D类放大器的功耗优势被线性放大器的其它优点掩盖了，比如外部过滤组件的成本，电磁干扰/电磁兼容性指标以及THD+N性能。 但是，当前大多数电流输出型D类放大器利用先进的调制和反馈技术减弱了这些缺点。
D类放大器基础
      虽然现代D类放大器采用了各种各样的调制器拓扑结构，最基本的拓扑利用脉冲宽度调制(PWM)和三角波(或锯齿波)振荡器。图1表示基于PWM，半桥D类放大器的简化方框图。它包括一个脉宽调制器，两个输出MOSFET，和一个提取音频信号的外部低通滤波器(Lf和Cf)。如图，P沟道和N沟道器件如同电流开关一样工作，交替把输出节点连接到Vdd和地面。 由于输出晶体管的最终输出为Vdd或地面，D类放大器的输出波形是高频方波。大多数D类放大器的开关频率(fsw)的典型值在250khz到1.5mhz之间。输出方波被输入音频信号脉宽调制。通过比较输入音频信号和内部产生的三角波(或锯齿波)完成PWM。这种调制通常也被称为"自然采样"，三角波振荡器作为采样时钟。 由此输出方波的占空比正比输入信号电平。当没有输入信号，输出波形占空比等于50%。图2表示不同输入电平下的PWM输出波形。
      为了从PWM输出波形中提取放大后的音频信号， D类放大器的输出再接一个低通滤波器。 图1所示的LC低通滤波器是一个无源积分器件(假设滤波器截止频率至少比输出级开关频率小一个数量级) ，其输出等于方波信号平均值。此外，低通滤波器防止高频开关能量被电阻性负荷吸收。假定滤波输出电压( Vo_avg )和电流( Iavg )在一个开关时间内不变。这个假设是相当准确，因为fsw远远大于输入声音的最大频率。因此，方波占空比与滤波输出电压的关系可以通过对电感上电流和电压的一个简单的时域分析得出。流经电感的瞬态电流是:
      式中Vl(t)是图（1）定义正方向下的电感瞬时电压。由于假定流入负载的平均电流(Iavg)在一个开关周期中不变，在切换周期开始与结束时刻流过电感的电流大小必须是相等的，如图3示。用数学表达，就是:
      等式2表明一个开关周期内，电感电压的积分值必须等于0。根据等式2和图3中Vl(t)的波形，显然得出区域(Aon和Aoff)的面积必须相等，否则等式2不成立。利用这个结论，我们可以得到用输出开关方波占空比表示低通滤波器输出电压关系:

      将等式4和5代入3得出一个新的等式:
      最后，求解vo:
      其中D为输出开关波形的占空比。
使用反馈改进性能
      许多D类放大器把PWM输出负反馈会放大器输入端。闭环反馈不仅改进了器件的线性度，还让放大器具有抗电源波动功能。而开环放大器基本不具有抗电源波动的功能。在闭环结构里，输出波形被检测并反馈回放大器输入，因此某电源电压的偏移可以从输出级检出并通过控制回路校正。 除了以上优点，闭环设计可能会引入稳定性问题， 而这是所有反馈系统都要解决的。 因此，控制回路必须精心设计和补偿，确保所有的工作条件下放大器都能稳定工作。
      典型的D类放大器配合了噪音整形类型的反馈，这大大降低了由脉冲宽度调制器的非线性，输出级和供给电压的偏差而引起的频段噪声。 这种拓扑类似Sigma-Delta调制器中采用的噪声整形方案。 为说明该拓扑的噪声整形功能，图4表示了一阶噪声整形器的简化框图。 反馈网络通常是由一个电阻分压网络组成，为求简便，图4反馈网络的反馈比例为1。另外，积分器的传递函数已被简化为1/s，因为理想的积分器的增益反比频率。我们还假定了PWM模块相对控制环路呈现单位增益和零相位偏移。 使用基本的控制图分析，可以得出输出的如下等式:
      等式8显示，噪音项En(s)乘以高通滤波器函数(噪声传递函数)，而输入项Vin(s)乘以低通滤波器函数(信号传递函数)。该高通滤波器的噪声响应对D类放大器的频段噪声整形。如果输出滤波器的截止频率选取适当，大多数的带内噪音可以清除（图4）。虽然上面的例子是有关一阶噪声整形器，但是许多现代D类放大器往往运用多阶噪声整形拓扑结构进一步优化电路线性和抗电源波动性。
D类放大器拓扑结构 -半桥与全桥
      很多D类放大器还使用一种全桥输出级。全桥输出用两个半桥输出交替驱动负载。这种类型的负载连接经常被称为桥联负载(BTL)。如图5，全桥输出通过交替开启负载导通路径工作。这使得双向电流流经负载而不需要一个负电源或隔直电容器。
      图6说明BTL输出，基于PWM的传统D类放大器的输出波形。图中，输出波形互补，在负载上产生差分PWM信号。如同半桥输出拓扑结构，全桥输出也外接LC滤波器。它可以提取低频音频信号，并防止高频能量串入负荷。
 
      全桥D类放大器除了具有AB类BTL放大器的优势，还具备高功效。 BTL放大器的第一个优点是，单工作电源下不需要在输出连接隔直电容。而半桥D类放大器输出在Vdd和地电势摆动并且有50%的占空比，因此需要添加隔直电容。 这意味着其输出信号的直流电压分量等于Vdd/2。而全桥放大器输出信号同时包含+/-Vdd/2的直流分量，这意味着负载上的直流电流为零。D类放大器和AB类BTL放大器的第二个优点是在相同供电电压下，输出信号的摆幅两倍于半桥式放大器，原因是负载被交替驱动。理论上，这也意味着相同供电电压下全桥D类放大器或AB类BTL放大器的最大输出功率是半桥式放大器的4倍。
      但是全桥D类功放需要的MOSFET开关管是半桥结构的两倍。有些人认为这是一个缺点，因为更多的开关管通常意味着更多的导通损耗和开关损耗。不过，这个观点通常只对高输出功率放大器()10W)成立，原因是高输出功率放大器的大输出电流和供电电压。为此，半桥放大器由于效率优势通常在大功率应用中派上用场。大部分全桥大功率放大器驱动8欧负载时的功率效率是80%至88%。然而，半桥放大器，比如max9742，在为8欧负载提供超过14W功率时的功率效率还可以超过90%。
取消输出滤波器-无滤波器调制
      传统D类放大器的一大弊端是需要一个外部LC滤波器。这不仅增加解决问题的成本和电路板空间的要求，而且由于滤波器组件的非线性还有可能引入额外的失真。所幸的是，许多现代的D类放大器运用先进的"无滤波器"调制技术，以消除，或至少减少对外部滤波器的要求。
      图7是max9700无滤波器调制方案拓扑结构的简化功能图。不同于传统的PWM BTL放大器，每个半桥都有自己专用的比较器，这使得可独立控制每个输出。调制器被差分音频信号和高频锯齿波驱动。当两个比较器都输出低电平时，两个最终输出管脚电平为高。在此同时，与非门输出高电平，被Ron和Con组成的RC电路延时。一旦与非门的延时输出超出规定的阈值，开关SW1和SW2闭合。这导致了OUT+和OUT-输出低电平并一直维持到到下一个采样周期开始为止。这种方案保证两个输出都有一个最小导通时间（Ton_min），该最小时间和Ron和Con的值有关。如图8，零输入下，输出与脉冲宽度（Ton_min）同相。 随着音频输入信号的增加或减小，一个比较器首先跳变。这个跳变，以及最小导通电路结构，促使一个输出端改变其脉冲宽度，而另一个输出脉冲宽度仍为(图8)。这意味着每个输出端输出波形的平均值都包含输出音频信号的半波整流成分。同时，两个输出端输出波形的相减即可得到完整的输出音频波形。
      因为MAX9700的输出在OUT+与OUT-同相期为零，负载上不会产生差分电压降，从而在不需要外部滤波器的条件下减少静态功耗。不依靠外部LC滤波器从输出中提取音频信号，Maxim的无滤波器型D类放大器利用负载扬声器的内部电感复原音频信号。扬声器固有电阻(Re)和电感(Le)形成一阶低通滤波器，其截止频率等于:
      对大多数扬声器而言，该一阶滤波器足以还原音频信号和防止过量高频开关能量耗散在扬声器的电阻上。即使剩余的高频信号通过扬声器输出，由于这些频段的音波不会被人耳感知，也不会影响听觉体验。 当使用无滤波器型D类放大器时，负载扬声器应在放大器开关频率下呈现感性，以达到最大输出功率。
利用扩频调制技术减小电磁干扰
      无滤波器结构的一个弊病是扬声器电缆可能散发电磁干扰。因为D类放大器输出的高频平方波含有快速变化的跳变沿，输出频谱在开关频率和及其整数倍频率出含有大量谱能量。如果未在放大器输出邻近放置滤波器，高频能量可能从扬声器电缆中泄露出来。Maxim采用一项称为扩频调制技术的专利可以减轻无滤波器D类放大器的电磁干扰问题。
      扩频调制通过对D类放大器开关频率的抖动或随机实现。开关频率在设定值的± 10%内变化。尽管开关波形的每一次周期都是随机变化的，它的占空比不受影响，从而保留了开关波形内的音频内容。图9a及9b显示了MAX9700输出波形的宽频带频谱，展示了扩频调制的效果。扩频调制有效地分散了输出信号的谱能量，而不是集中在开关频率及其谐波上。换言之，输出信号总的频谱能量不变，但总的能源被重新分布在较广泛的带宽上。这就减少了输出波形的高频能量尖峰， 因此大大减少电磁辐射从扬声器电缆泄露的概率。虽然这么做可能把一些噪音重新分布到音频信号频带上，反馈环路的噪音抑制功能还是能清除它们。
      许多MAXIM的无滤波器D类放大器也允许开关频率同步到一个外部时钟信号上。这就允许用户把放大器的开关频率手动设置到较不敏感的频率范围内。
      虽然扩频调制大大改善了无滤波器型D类放大器的电磁性能，但为遵守FCC或CE的辐射排放规定，扬声器电缆的实际长度受到限制。 如果一个设备由于过长的扬声器电缆而没有通过辐射排放测试，可能需要外部输出滤波器对输出信号中的高频成分提供额外的衰减。在许多中等长度电缆应用中，输出信号经过磁珠/电容滤波器即可。设备的EMI特性和PCB布局也有密切的关系， 应当遵循适当的PCB布局规范以保证遵守FCC和CE法规的相关条款。
总结
      近年来在调制技术上的进展使D类放大器在原先由线性放大器一度占据的应用场合中蓬勃发展起来。现代D类放大器包括AB类放大器所有的优势(即良好的线性和极小的板上空间)，还有独特的高功效优点。目前，世界上有各种各样的D类放大器，从而使它们适合于多种应用。 这些应用范围从低功率便携式应用(例如，手机和笔记本电脑，这些应用场合对电池寿命，电路板空间与EMI的要求极高)到大功率应用(例如，汽车音响系统， 或者平板显示器，这些场合对减少产热量，降低散热要求严格)。对D类放大器基本原理及最新技术进步的了解将有助于设计师为各类应用选择正确的放大器，并让他们可以正确地权衡具体特点的利弊。