D類功放的尷尬定位

1、D 類功放的尷尬定位作為一種新型的功放電路，D類功放（CLASS-D，俗稱數(shù)字功放）憑借優(yōu)秀 的指標(biāo)及性能，給功率放大器市場(chǎng)帶來(lái)一陣清風(fēng)，給很多音頻電路設(shè)計(jì)者帶來(lái) 一陣興奮和希望。我從05年就開(kāi)始研究D類功放與其相關(guān)的產(chǎn)品，幾年下來(lái)卻 發(fā)現(xiàn)， D 類放大器部分指標(biāo)的優(yōu)秀，掩蓋不了它在市場(chǎng)中的定位的尷尬，其大 量普及，尚需時(shí)日。先說(shuō)D類功放最大的賣(mài)點(diǎn)-效率。這里的效率是指電聲轉(zhuǎn)換效率，功放簡(jiǎn) 單說(shuō)就是一個(gè)把電能轉(zhuǎn)變成聲能（聲音）的工具，理論上說(shuō)，最理想的功放就 是把100%的電能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷?，即效率?00%，但實(shí)際應(yīng)用中，A類（甲類）功 放的效率只有不到10%，而常用的AB類功放只有30-40%

2、，另外60-70%的電能 哪里去了呢？發(fā)熱了。所以，A類功放或AB類功放在應(yīng)用中，散熱是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容，這類 產(chǎn)品必須要加上或大或小的散熱器。但D類功放卻有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80-90%，只有10-20%的電 能轉(zhuǎn)變成了熱量，由于發(fā)熱很少，基本不需要加散熱器，只要在PCB （印刷線 路板）設(shè)計(jì)中預(yù)留一點(diǎn)銅箔散熱就足夠了。同樣的道理，因?yàn)殡娔艿母叨取肮?jié) 約”，在一些供電電流不大或者電量不充裕的使用場(chǎng)合，比如USB供電（電流最 大500mA）和電池供電的應(yīng)用中，D類功放是最合適不過(guò)的了。遺憾的是，以上就是D類功放所有的優(yōu)點(diǎn)，說(shuō)完了這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就很難再找 到其他優(yōu)點(diǎn)了，該說(shuō)一下缺點(diǎn)了。第

3、一點(diǎn)，D類功放的窄電源特性，目前使用最普遍的小功率D類功放供電 電壓多在4.5-5.5V之間，超過(guò)6V就很容易燒壞，而目前的D類功放很少有過(guò)壓 保護(hù)，電壓一高就玩完了，機(jī)器必然返修。當(dāng)然有9V以上的大功率D類功放， 這類功放又不能使用5V供電（USB電壓無(wú)法兼容，失去很多應(yīng)用機(jī)會(huì)），因此 必須要配專用電源，而且該類功放在實(shí)際使用中，由于功率較大，體積又很 小，因此發(fā)熱量也不小，一個(gè)散熱器還是必須的，這塊成本又省不下來(lái)了。第二點(diǎn)， D 類功放的失真敏感性。注意，我在這里使用了一個(gè)新詞“失真敏 感性”。就是專門(mén)針對(duì)D類功放的失真度的。推廣D類功放的芯片公司除了喜歡 標(biāo)榜剛才我提到的“高效率”，還喜

4、歡說(shuō)D類功放失真度很低，一般不到1%。事 實(shí)上， 1%的失真度指標(biāo)是非常理想的， AB 類功放 1%的失真度是幾乎聽(tīng)不出來(lái) 的，而國(guó)標(biāo)也只是要求在10%以內(nèi)就許可。但D類功放就不行了，1%的失真已 經(jīng)能聽(tīng)出來(lái)有些雜音或破音，如果要達(dá)到 10%，估計(jì)來(lái)聽(tīng)音的消費(fèi)者已經(jīng)落荒 而逃了。所以在失真度方面，D類功放不但沒(méi)優(yōu)勢(shì)，而是大大的劣勢(shì)。第三點(diǎn)， D 類功放的價(jià)格。這里的價(jià)格分為兩部分，一部分是芯片本身的 價(jià)格，另外一部分是外圍部件的價(jià)格，外圍部件的價(jià)格又分為兩部分，一個(gè)是 供電的電源，一個(gè)是低通濾波器（LPF）。先說(shuō)芯片價(jià)格，現(xiàn)在的D類功放的價(jià) 格已經(jīng)是大幅度下降了。以小功率D類功放（2W+2W）

5、為例，05年德州一起的 TPA2000系列價(jià)格在15元人民幣左右，而臺(tái)灣的類似產(chǎn)品在8元左右。而現(xiàn)在 的價(jià)格僅僅要3-4元。大功率的仍然要9- 10元。盡管比以前有了明顯下降。但 相比成熟的AB類功放。價(jià)格仍然偏高。比如現(xiàn)在使用量很大的2025（KA2206），電壓范圍3-12V，音質(zhì)兩好，價(jià)格只要不到0.7元，最大的缺點(diǎn)是 供電電壓比較高的應(yīng)用下，發(fā)熱較大，需要良好的散熱。另外就是體積偏大， 適合在空間比較充足的產(chǎn)品中應(yīng)用。D類功放的外圍部件電源和低通濾波器， 其實(shí)并不節(jié)約。盡管D類功放因?yàn)樾矢?，很多人以為?duì)電源的電流要求并不 高，但事實(shí)并非如此。 D 類功放在播放大動(dòng)態(tài)低頻音樂(lè)的時(shí)候，電

6、流其實(shí)也是 非常大的，如果電源電流不夠，其實(shí)一樣不能使用，而電源的電流是和價(jià)格成 正比的。低通濾波器也比較尷尬，盡管現(xiàn)在D類功放宣稱使用了無(wú)濾波器設(shè) 計(jì)，但在實(shí)際應(yīng)用中，盡管不使用濾波器對(duì)音質(zhì)的影響并無(wú)明顯影響。但無(wú)濾 波器帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題就是EMI （電磁兼容）的不合格，作為一個(gè)正規(guī)的設(shè) 計(jì)，低通濾波器其實(shí)還是不能節(jié)省?？紤]以上幾個(gè)方面，D類功放的應(yīng)用成本 還是偏高。綜上所述，我們不難發(fā)現(xiàn)， D 類功放并沒(méi)有宣稱的那么好，也不可能在將 來(lái)革了普通功放的命，只有將D類功放做徹底的分析研究，了解了它的優(yōu)勢(shì)和 劣勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，才能把它的優(yōu)勢(shì)真正發(fā)揮出來(lái)。個(gè)人覺(jué)得，D類功放最適合 的應(yīng)用產(chǎn)品就是電

7、池供電的便攜產(chǎn)品，這類產(chǎn)品往往體積較小，不適合放體積 較大的功放和散熱器，D類功放的小體積和無(wú)需散熱器的特點(diǎn)就非常適合。再 加上 D 類功放非常省電，特別適合電池長(zhǎng)時(shí)間播放。再加上便攜音響產(chǎn)品對(duì)音 質(zhì)尤其是低頻要求不高，所以D類功放最適合用在此類產(chǎn)品中。而大功率的D 類功放，除非也是多組電池供電（這類產(chǎn)品較少），如果使用外接電源，大功率的 D 類功放就無(wú)必要（除非是無(wú)散熱器設(shè)計(jì)），所以相比小功率 D 類功放， 大功率 D 類功放更加尷尬。能使用 5V 供電的小功率 D 類功放還有個(gè)普遍的應(yīng)用 就是在筆記本音箱上（使用USB供電），D類功放能把USB的500mA電流充分 應(yīng)用好。但由于其過(guò)高的失

8、真敏感性，聲音大的時(shí)候，聽(tīng)感往往不如 CMOS 工 藝的 AB 類功放（如 4863、2038 等），而 CMOS 工藝的 AB 類功放也具備小體 積的優(yōu)點(diǎn)，和 D 類功放相比唯一的缺點(diǎn)就是發(fā)熱稍多。所以在筆記本音箱上， 更多的廠家愿意使用這類功放。因此， D 類功放的應(yīng)用范圍其實(shí)被壓縮的很厲 害，現(xiàn)在的處境其實(shí)是有些尷尬的，其實(shí) D 類功放想有所突破，最需要解決的 就是把電壓范圍做寬，哪怕做到 6V 能穩(wěn)定工作，當(dāng)然涉及到半導(dǎo)體工藝，電壓 范圍做寬可能確實(shí)很難，但加上過(guò)壓保護(hù)總是可以的吧。同時(shí)把功率做大些， 加大的功率并不一定要用完，是用來(lái)做功率裕量用的我的經(jīng)驗(yàn)， D 類功放必須 5W 的當(dāng)

9、 3W 甚至 2W 來(lái)用，才可能聽(tīng)不到明顯的失真，或者學(xué)習(xí)德州儀器 的TPA0202低失真設(shè)計(jì)技術(shù)，才可能真正得到讓消費(fèi)者接受的音質(zhì)。D類功放 也才能得到真正大量普及?？偨Y(jié) D 類功放優(yōu)缺點(diǎn)D 類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)（ 1）能量轉(zhuǎn)換效率極高，體積小，可靠性高。耗電量?jī)H為同功率等級(jí)模擬 放大器的三分之一。其電源實(shí)際使用效率可以高達(dá) 90%以上，節(jié)約能源，也符合環(huán)保 要求。而B(niǎo)類放大器效率僅為78% （理論值，實(shí)際應(yīng)該一般只有3040%）, A 類功放的效率就更低。由于 D 類功放極高的效率，半導(dǎo)體器件的溫升明顯減 小，失真率也就顯著減小。（ 2）可連接的最低負(fù)載阻抗可以很低，并且無(wú)論負(fù)載阻抗高低而電

10、源轉(zhuǎn)換 效率基本保持不變。（ 3）高、中、低頻無(wú)相對(duì)相移，聲音清晰透明，聲像定位準(zhǔn)確。由于采用 無(wú)負(fù)反饋的 16 放大電路、數(shù)字濾波器等處理技術(shù)，可以將輸出濾波器的截止頻 率設(shè)計(jì)得較高，從而保證在 20Hz20kHz 內(nèi)得到平坦的幅頻特性和很好的相頻特 性。（4）瞬態(tài)響應(yīng)好，即“動(dòng)態(tài)特性”好。由于它不需傳統(tǒng)功放的靜態(tài)電流消 耗，所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲(chǔ)備，加之無(wú)模擬放大、無(wú)負(fù)反饋的牽 制，故具有更好的“動(dòng)力特征。由于D類功放采用的FET管導(dǎo)通的時(shí)候，Vds的 壓降極小，故 D 類功放的輸出音頻電壓最大幅度接近于供電電壓。而線性功 放，由于靜態(tài)偏置和 Vces 的影響，輸出音頻最大電壓幅度

11、是和供電電壓還有一 定差距，在低壓系統(tǒng)中，這個(gè)現(xiàn)象更加明顯。（5）無(wú)過(guò)零失真。傳統(tǒng)功放一般都存在由于對(duì)管配對(duì)及各級(jí)調(diào)整不佳產(chǎn)生 的過(guò)零、交越失真。（6）直接接收 CD、DVD 等數(shù)字音源輸出的同軸或光纖數(shù)字音頻信號(hào)，可 以直接以數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行放大，體現(xiàn)了與數(shù)字音源的完美結(jié)合。（7）適合于大批量生產(chǎn)。產(chǎn)品的一致性好，生產(chǎn)中無(wú)需調(diào)試，可靠性好， 只要保證元器件正確安裝即可。（8）不需任何附加裝置可方便地實(shí)現(xiàn)遙控、群控和監(jiān)測(cè)等功能。D 類功率放大器存在的不足（1）輸出功率功率晶體管并不是純粹的開(kāi)關(guān)，也不是匹配得很好，會(huì)帶來(lái) 畸變。（2）功率晶體管在接通和關(guān)閉的過(guò)程中，接地點(diǎn)的電位會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，從而 增大噪音。（3）功率輸出電路是用兩只功率晶體管接成的橋路，一只功率晶體管導(dǎo) 通，另外一只關(guān)閉，這之間存在死區(qū)。（4）功率輸出電路和揚(yáng)聲器之間用一只輸出低通濾波器把音頻以外的成分 濾除，讓音頻信號(hào)進(jìn)入揚(yáng)聲器，但不可能徹底濾除脈寬調(diào)制的載波，這也是造 成失真的一個(gè)因素。造成揚(yáng)聲器的失真。（5）EMI 問(wèn)