D类音频放大器：什么、为什么以及如何
d类放大器于1958年首次提出，近年来越来越受欢迎。什么是d类放大器？它们与其他类型的放大器相比如何？为什么 d 类对音频感兴趣？制造“好”音频d类放大器需要什么？adi公司的d类放大器产品有哪些特点？在以下页面中找到所有这些问题的答案。
音频放大器背景
音频放大器的目标是在产生声音的输出元件上以所需的音量和功率水平再现输入音频信号，忠实、高效且低失真。音频频率范围约为 20 hz 至 20 khz，因此放大器在此范围内必须具有良好的频率响应（驱动频段受限扬声器（如低音扬声器或高音扬声器）时频率响应较小）。功率能力因应用而异，从耳机中的毫瓦到电视或 pc 音频中的几瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音频的数十瓦，再到更强大的家庭和商业音响系统的数百瓦及以上，以及让剧院或礼堂充满声音。
音频放大器的简单模拟实现使用线性模式下的晶体管来创建输出电压，该输出电压是输入电压的缩放副本。正向电压增益通常很高（至少40 db）。如果前向增益是反馈环路的一部分，则总环路增益也将很高。通常使用反馈是因为高环路增益可提高性能，从而抑制正向路径非线性引起的失真，并通过提高电源抑制（psr）来降低电源噪声。
d类放大器的优势
在传统的晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。音频系统的许多可能实现包括a类、ab类和b类设计，与d类设计相比，即使是最高效的线性输出级，输出级功耗也很大。这种差异在许多应用中具有明显的d类优势，因为较低的功耗产生的热量更少，节省了电路板空间和成本，并延长了便携式系统的电池寿命。
线性放大器、d类放大器和功耗
线性放大器输出级直接连接到扬声器（在某些情况下通过电容器）。如果在输出级使用双极结型晶体管（bjt），它们通常以线性模式工作，集电极-发射极电压较大。输出级也可以用mos晶体管实现，如图1所示。
图1.cmos线性输出级。
功率在所有线性输出级中耗散，因为产生过程在外 不可避免地导致非零我ds 和在ds 在至少一个输出晶体管中。功耗很大程度上取决于用于偏置输出晶体管的方法。
a 类拓扑使用其中一个晶体管作为直流电流源，能够提供扬声器所需的最大音频电流。a类输出级可以达到良好的音质，但功耗过大，因为较大的直流偏置电流通常会流过输出级晶体管（我们不需要它的地方），而不会输送到扬声器（我们确实想要它）。
b 类拓扑消除了直流偏置电流，功耗显著降低。其输出晶体管以推挽方式单独控制，允许 mh 器件向扬声器提供正电流，ml 吸收负电流。这降低了输出级功耗，只有信号电流传导通过晶体管。然而，当输出电流通过零并且晶体管在开和关条件之间变化时，由于非线性行为（交越失真），b类电路的音质较差。
ab类是a类和b类的混合折衷方案，使用一些直流偏置电流，但远低于纯a类设计。小直流偏置电流足以防止交越失真，从而实现良好的音质。功耗虽然在a类和b类限制之间，但通常更接近b类。需要一些类似于b类电路的控制，以允许ab类电路提供或吸收大输出电流。
遗憾的是，即使是设计良好的ab类放大器也具有显著的功耗，因为其中档输出电压通常远离正电源轨或负电源轨。因此，漏源电压降大，从而产生显著的我ds ×在ds瞬时功耗。
由于采用了不同的拓扑结构（图 2），d 类放大器的功耗远低于上述任何一种。其输出级在正电源和负电源之间切换，以产生一系列电压脉冲。该波形对于功耗是良性的，因为输出晶体管在不开关时电流为零，并且电流低在ds 当它们传导电流时，因此给出更小我ds× vds.
图2.d类开环放大器框图。
由于大多数音频信号不是脉冲序列，因此必须包括调制器以将音频输入转换为脉冲。脉冲的频率成分包括所需的音频信号和与调制过程相关的重要高频能量。通常在输出级和扬声器之间插入低通滤波器，以最大程度地减少电磁干扰（emi），并避免用过多的高频能量驱动扬声器。滤波器（图3）需要无损（或几乎无损），以保持开关输出级的功耗优势。滤波器通常使用电容器和电感器，唯一有意耗散的元件是扬声器。
图3.差分开关输出级和lc低通滤波器。
图4比较了理想的输出级功耗（p迪斯） 表示 a 类和 b 类放大器，测量 ad1994 d 类放大器的功耗，与传送到扬声器的功率（p负荷），给定音频正弦波信号。功率数字被归一化为功率级别，p负荷。.max，此时正弦被削波到足以引起 10% 的总谐波失真 （thd）。垂直线表示p负荷剪辑从哪个开始。
图4.a类、b类和d类输出级的功耗。
对于很宽的负载范围，特别是在高值和中等值下，功率耗散的显着差异是可见的。削波开始时，d类输出级的耗散比b类低约2.5倍，比a类低27倍。 请注意，a类输出级消耗的功率多于输送到扬声器的功率，这是使用大直流偏置电流的结果。
输出级功率效率 eff 定义为
削波开始时，a 类放大器的 eff = 25%，b 类放大器的 eff = 78.5%，d 类放大器的 eff = 90%（见图 5）。a类和b类的最佳情况值是教科书中经常引用的值。
图5.a 类、b 类和 d 类输出级的功率效率。
在中等功率水平下，功耗和效率的差异会扩大。这对于音频很重要，因为响亮音乐的长期平均值比瞬时峰值电平低得多（20 到 倍，具体取决于音乐类型），后者接近p负荷。.max.因此，对于音频放大器，[p负荷 = 0.1 ×p负荷。.max]是用于评估的合理平均功率水平p迪斯.在此水平上，d类输出级耗散比b类小107倍，比a类小倍。
适用于 10w 音频放大器p负荷。.max，平均值p负荷1 w 可以被认为是一个真实的聆听水平。在这种情况下，d类输出级内部耗散282 mw，而b类输出级为2.53 w，a类输出级为30.2 w。在这种情况下，d类效率从更高功率时的78%降低到90%。但即使是78%的效率也比b类和a类的效率要好得多，分别为28%和3%。
这些差异对系统设计具有重要影响。对于高于1 w的功率水平，线性输出级的过度耗散需要采取大量的冷却措施，以避免不可接受的加热——通常使用大块金属板作为散热器，或使用风扇将空气吹过放大器。如果放大器作为集成电路实现，则可能需要笨重且昂贵的热增强型封装来促进传热。这些考虑因素在消费类产品中是繁重的，例如平板电视，其中空间非常宝贵，或者汽车音频，其趋势是将更多的通道数塞进固定空间。
对于低于 1 w 的功率水平，浪费功率可能比发热更困难。如果由电池供电，线性输出级将比d类设计更快地耗尽电池电量。在上面的例子中，d类输出级的电源电流消耗比b类低2.8倍，比a类低23.6倍，导致手机、pda和mp3播放器等产品中使用的电池的寿命有很大差异。
为简单起见，到目前为止，分析仅集中在放大器输出级上。然而，当考虑放大器系统中的所有功耗源时，线性放大器在低输出功率水平下可以比d类放大器更有利。原因是在低电平下，产生和调制开关波形所需的功率可能很大。因此，设计良好的中低功率ab类放大器的全系统静态耗散使其与d类放大器具有竞争力。不过，对于较高的输出功率范围，d类功耗无疑更胜一筹。
d类放大器术语，差分与单端版本
图3显示了d类放大器中输出晶体管和lc滤波器的差分实现方案。该h桥具有两个半桥开关电路，为滤波器提供极性相反的脉冲，滤波器由两个电感器、两个电容器和扬声器组成。每个半桥包含两个输出晶体管——一个连接到正电源的高边晶体管 （mh） 和一个连接到负电源的低边晶体管 （ml）。这里的图表显示了高边pmos晶体管。高边 nmos 晶体管通常用于减小尺寸和电容，但需要特殊的栅极驱动技术来控制它们（延伸阅读 1）。
全h桥电路通常采用单电源供电（vdd），接地用于负电源端子 （v党卫军).对于给定的 vdd和 v党卫军，电桥的差分特性意味着它可以提供两倍的输出信号和四倍的输出功率。半桥电路可以由双极性电源或单电源供电，但单电源版本施加了可能有害的直流偏置电压vdd/2，在扬声器两端，除非添加了阻断电容器。
半桥电路的电源电压总线可以通过来自lc滤波器的大电感电流“泵浦”超过其标称值。泵浦瞬态的dv/dt可以通过在v之间增加较大的去耦电容来限制dd和 v党卫军.全桥电路不会受到总线泵送的影响，因为流入其中一个半桥的电感电流从另一个半桥流出，从而形成一个对电源干扰最小的本地电流环路。
音频 d 类放大器设计中的因素
较低的功耗为在音频应用中使用d类提供了强烈的动力，但设计人员面临着重要的挑战。其中包括：
输出晶体管尺寸的选择
输出级保护
音质
调制技术
电磁干扰
液相色谱滤波器设计
系统成本
输出晶体管尺寸的选择
选择输出晶体管尺寸以优化各种信号条件下的功耗。确保在ds进行大型时保持较小我ds 需要导通电阻（r上）的输出晶体管要小（通常为0.1欧姆至0.2欧姆）。但这需要具有较大栅极电容（cg).开关电容的栅极驱动电路消耗功率—简历2f，其中c为电容，v为充电时的电压变化，f为开关频率。如果电容或频率过高，这种“开关损耗”就会变得过大，因此存在实际上限。因此，晶体管尺寸的选择是在最小化两者之间进行权衡我ds ×在ds 导通期间的损耗与最小化开关损耗。在高输出功率水平下，导电损耗将主导功耗和效率，而低输出电平下的开关损耗则主要由功耗决定。功率晶体管制造商试图尽量减少r上 ×cg 产品，以降低开关应用中的整体功耗，并在开关频率选择方面提供灵活性。
保护输出级
必须保护输出级免受许多潜在危险条件的影响：
过热：d类的输出级功耗虽然低于线性放大器，但如果放大器被迫长时间提供非常高的功率，仍会达到危及输出晶体管的水平。为了防止危险的过热，需要温度监控控制电路。在简单的保护方案中，当输出级的温度（由片上传感器测量）超过热关断安全阈值时，输出级被关断，并保持关闭状态，直到其冷却下来。除了关于温度是否超过关断阈值的简单二进制指示外，传感器还可以提供额外的温度信息。通过测量温度，控制电路可以逐渐降低音量，降低功耗并将温度保持在限制范围内，而不是在热关断事件期间强制实现可察觉的静音期。
输出晶体管中的电流过大：如果输出级和扬声器端子正确连接，输出晶体管的低导通电阻不是问题，但如果这些节点无意中相互短路，或者与正极或负极电源短路，则会产生巨大的电流。如果不加以控制，这种电流会损坏晶体管或周围的电路。因此，需要电流检测输出晶体管保护电路。在简单的保护方案中，如果输出电流超过安全阈值，则输出级关断。在更复杂的方案中，电流传感器输出被反馈到放大器，力求将输出电流限制在最大安全水平，同时允许放大器连续运行而不关断。在这些方案中，如果尝试的限制被证明无效，则可以强制关闭作为最后的手段。有效的限流器还可以在扬声器谐振引起的瞬态电流较大的情况下保持放大器安全运行。
欠压：大多数开关输出级电路只有在正电源电压足够高的情况下才能正常工作。如果存在欠压情况，即电源过低，则会产生问题。此问题通常由欠压锁定电路处理，该电路仅当电源电压高于欠压锁定阈值时，才允许输出级工作。
输出晶体管导通时序：mh 和 ml 输出级晶体管（图 6）具有非常低的导通电阻。因此，避免mh和ml同时开启的情况非常重要，因为这会从v创建低电阻路径dd到 v党卫军通过晶体管和较大的直通电流。充其量，晶体管会发热并浪费功率;在最坏的情况下，晶体管可能会损坏。晶体管的先开后合控制通过在打开一个晶体管之前强制两个晶体管关闭来防止击穿条件。两个晶体管关闭的时间间隔称为非重叠时间或死区时间。
图6.输出级晶体管的先开后合开关。
音质
要实现d类放大器的良好整体音质，必须解决几个问题。
放大器打开或关闭时发生的咔嗒声和爆裂声可能非常烦人。然而，遗憾的是，除非在放大器静音或未静音时特别注意调制器状态、输出级时序和lc滤波器状态，否则它们很容易引入d类放大器。
信噪比（snr）：为避免放大器本底噪声发出嘶嘶声，便携式应用的低功耗放大器的信噪比通常应超过90 db，中等功率设计的信噪比应超过100 db，高功率设计的信噪比通常应超过110 db。这对于各种放大器方案都是可以实现的，但在放大器设计过程中必须跟踪各个噪声源，以确保获得令人满意的整体snr。
失真机制：其中包括调制技术或调制器实现中的非线性，以及输出级用于解决直通电流问题的死区时间。
有关音频信号电平的信息通常以d类调制器输出脉冲的宽度编码。增加死区时间以防止输出级直通电流会导致非线性时序误差，从而在扬声器上产生与时序误差与理想脉冲宽度成比例的失真。避免击穿的最短死区时间通常最适合最小化失真;有关优化开关输出级失真性能的详细设计方法，请参见延伸阅读2。
其他失真来源包括：输出脉冲中的上升和下降时间不匹配、输出晶体管栅极驱动电路的时序特性不匹配以及lc低通滤波器组件的非线性。
电源抑制 （psr）：在图2电路中，电源噪声几乎直接耦合到扬声器，抑制非常小。这是因为输出级晶体管通过非常低的电阻将电源连接到低通滤波器。滤波器可抑制高频噪声，但设计用于传递所有音频，包括噪声。有关单端和差分开关输出级电路中电源噪声影响的良好描述，请参见进一步阅读3。
如果既不解决失真也不解决电源问题，则很难实现优于10 db的psr或优于0.1%的总谐波失真（thd）。更糟糕的是，thd往往是听起来很糟糕的高阶类型。
幸运的是，这些问题有很好的解决方案。使用具有高环路增益的反馈（如许多线性放大器设计中所做的那样）会有很大帮助。lc滤波器输入端的反馈将大大提高psr，并衰减所有非lc滤波器失真机制。lc滤波器非线性可以通过将扬声器包含在反馈环路中来衰减。psr > 60 db、thd 60 db psr，使用来自开关输出级的连续时间模拟反馈和优化的输出级栅极驱动。其 1 位 σ-δ 调制器特别针对 d 类应用进行了增强，可实现 500 khz 的平均数据频率、高达 90% 调制的高环路增益和全调制的稳定性。独立调制器模式允许其驱动外部 fet 以获得更高的输出功率。
pga、调制器和数字逻辑采用5 v电源，开关输出级采用8 v至20 v高压电源。相关参考设计符合 fcc b 类 emi 要求。采用6 v和5 v电源驱动12 ω负载时，ad1994静态功耗为487 mw，710 × 2 w输出电平功耗为1 mw，省电模式下功耗为0.27 mw。采用 64 引脚 lfcsp 封装，额定温度范围为 –40°c 至 +85°c
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音频放大器的目标是在产生声音的输出元件上以所需的音量和功率水平再现输入音频信号，忠实、高效且低失真。音频频率范围约为 20 hz 至 20 khz，因此放大器在此范围内必须具有良好的频率响应（驱动频段受限扬声器（如低音扬声器或高音扬声器）时频率响应较小）。功率能力因应用而异，从耳机中的毫瓦到电视或 pc 音频中的几瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音频的数十瓦，再到更强大的家庭和商业音响系统的数百瓦及以上，以及让剧院或礼堂充满声音。
音频放大器的简单模拟实现使用线性模式下的晶体管来创建输出电压，该输出电压是输入电压的缩放副本。正向电压增益通常很高（至少40 db）。如果前向增益是反馈环路的一部分，则总环路增益也将很高。通常使用反馈是因为高环路增益可提高性能，从而抑制正向路径非线性引起的失真，并通过提高电源抑制（psr）来降低电源噪声。
d类放大器的优势
在传统的晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。音频系统的许多可能实现包括a类、ab类和b类设计，与d类设计相比，即使是最高效的线性输出级，输出级功耗也很大。这种差异在许多应用中具有明显的d类优势，因为较低的功耗产生的热量更少，节省了电路板空间和成本，并延长了便携式系统的电池寿命。
线性放大器、d类放大器和功耗
线性放大器输出级直接连接到扬声器（在某些情况下通过电容器）。如果在输出级使用双极结型晶体管（bjt），它们通常以线性模式工作，集电极-发射极电压较大。输出级也可以用mos晶体管实现，如图1所示。
图1.cmos线性输出级。
功率在所有线性输出级中耗散，因为产生过程在外 不可避免地导致非零我ds 和在ds 在至少一个输出晶体管中。功耗很大程度上取决于用于偏置输出晶体管的方法。
a 类拓扑使用其中一个晶体管作为直流电流源，能够提供扬声器所需的最大音频电流。a类输出级可以达到良好的音质，但功耗过大，因为较大的直流偏置电流通常会流过输出级晶体管（我们不需要它的地方），而不会输送到扬声器（我们确实想要它）。
b 类拓扑消除了直流偏置电流，功耗显著降低。其输出晶体管以推挽方式单独控制，允许 mh 器件向扬声器提供正电流，ml 吸收负电流。这降低了输出级功耗，只有信号电流传导通过晶体管。然而，当输出电流通过零并且晶体管在开和关条件之间变化时，由于非线性行为（交越失真），b类电路的音质较差。
ab类是a类和b类的混合折衷方案，使用一些直流偏置电流，但远低于纯a类设计。小直流偏置电流足以防止交越失真，从而实现良好的音质。功耗虽然在a类和b类限制之间，但通常更接近b类。需要一些类似于b类电路的控制，以允许ab类电路提供或吸收大输出电流。
遗憾的是，即使是设计良好的ab类放大器也具有显著的功耗，因为其中档输出电压通常远离正电源轨或负电源轨。因此，漏源电压降大，从而产生显著的我ds ×在ds瞬时功耗。
由于采用了不同的拓扑结构（图 2），d 类放大器的功耗远低于上述任何一种。其输出级在正电源和负电源之间切换，以产生一系列电压脉冲。该波形对于功耗是良性的，因为输出晶体管在不开关时电流为零，并且电流低在ds 当它们传导电流时，因此给出更小我ds× vds.
图2.d类开环放大器框图。
由于大多数音频信号不是脉冲序列，因此必须包括调制器以将音频输入转换为脉冲。脉冲的频率成分包括所需的音频信号和与调制过程相关的重要高频能量。通常在输出级和扬声器之间插入低通滤波器，以最大程度地减少电磁干扰（emi），并避免用过多的高频能量驱动扬声器。滤波器（图3）需要无损（或几乎无损），以保持开关输出级的功耗优势。滤波器通常使用电容器和电感器，唯一有意耗散的元件是扬声器。
图3.差分开关输出级和lc低通滤波器。
图4比较了理想的输出级功耗（p迪斯） 表示 a 类和 b 类放大器，测量 ad1994 d 类放大器的功耗，与传送到扬声器的功率（p负荷），给定音频正弦波信号。功率数字被归一化为功率级别，p负荷。.max，此时正弦被削波到足以引起 10% 的总谐波失真 （thd）。垂直线表示p负荷剪辑从哪个开始。
图4.a类、b类和d类输出级的功耗。
对于很宽的负载范围，特别是在高值和中等值下，功率耗散的显着差异是可见的。削波开始时，d类输出级的耗散比b类低约2.5倍，比a类低27倍。 请注意，a类输出级消耗的功率多于输送到扬声器的功率，这是使用大直流偏置电流的结果。
输出级功率效率 eff 定义为
削波开始时，a 类放大器的 eff = 25%，b 类放大器的 eff = 78.5%，d 类放大器的 eff = 90%（见图 5）。a类和b类的最佳情况值是教科书中经常引用的值。
图5.a 类、b 类和 d 类输出级的功率效率。
在中等功率水平下，功耗和效率的差异会扩大。这对于音频很重要，因为响亮音乐的长期平均值比瞬时峰值电平低得多（20 到 倍，具体取决于音乐类型），后者接近p负荷。.max.因此，对于音频放大器，[p负荷 = 0.1 ×p负荷。.max]是用于评估的合理平均功率水平p迪斯.在此水平上，d类输出级耗散比b类小107倍，比a类小倍。
适用于 10w 音频放大器p负荷。.max，平均值p负荷1 w 可以被认为是一个真实的聆听水平。在这种情况下，d类输出级内部耗散282 mw，而b类输出级为2.53 w，a类输出级为30.2 w。在这种情况下，d类效率从更高功率时的78%降低到90%。但即使是78%的效率也比b类和a类的效率要好得多，分别为28%和3%。
这些差异对系统设计具有重要影响。对于高于1 w的功率水平，线性输出级的过度耗散需要采取大量的冷却措施，以避免不可接受的加热——通常使用大块金属板作为散热器，或使用风扇将空气吹过放大器。如果放大器作为集成电路实现，则可能需要笨重且昂贵的热增强型封装来促进传热。这些考虑因素在消费类产品中是繁重的，例如平板电视，其中空间非常宝贵，或者汽车音频，其趋势是将更多的通道数塞进固定空间。
对于低于 1 w 的功率水平，浪费功率可能比发热更困难。如果由电池供电，线性输出级将比d类设计更快地耗尽电池电量。在上面的例子中，d类输出级的电源电流消耗比b类低2.8倍，比a类低23.6倍，导致手机、pda和mp3播放器等产品中使用的电池的寿命有很大差异。
为简单起见，到目前为止，分析仅集中在放大器输出级上。然而，当考虑放大器系统中的所有功耗源时，线性放大器在低输出功率水平下可以比d类放大器更有利。原因是在低电平下，产生和调制开关波形所需的功率可能很大。因此，设计良好的中低功率ab类放大器的全系统静态耗散使其与d类放大器具有竞争力。不过，对于较高的输出功率范围，d类功耗无疑更胜一筹。
d类放大器术语，差分与单端版本
图3显示了d类放大器中输出晶体管和lc滤波器的差分实现方案。该h桥具有两个半桥开关电路，为滤波器提供极性相反的脉冲，滤波器由两个电感器、两个电容器和扬声器组成。每个半桥包含两个输出晶体管——一个连接到正电源的高边晶体管 （mh） 和一个连接到负电源的低边晶体管 （ml）。这里的图表显示了高边pmos晶体管。高边 nmos 晶体管通常用于减小尺寸和电容，但需要特殊的栅极驱动技术来控制它们（延伸阅读 1）。
全h桥电路通常采用单电源供电（vdd），接地用于负电源端子 （v党卫军).对于给定的 vdd和 v党卫军，电桥的差分特性意味着它可以提供两倍的输出信号和四倍的输出功率。半桥电路可以由双极性电源或单电源供电，但单电源版本施加了可能有害的直流偏置电压vdd/2，在扬声器两端，除非添加了阻断电容器。
半桥电路的电源电压总线可以通过来自lc滤波器的大电感电流“泵浦”超过其标称值。泵浦瞬态的dv/dt可以通过在v之间增加较大的去耦电容来限制dd和 v党卫军.全桥电路不会受到总线泵送的影响，因为流入其中一个半桥的电感电流从另一个半桥流出，从而形成一个对电源干扰最小的本地电流环路。
音频 d 类放大器设计中的因素
较低的功耗为在音频应用中使用d类提供了强烈的动力，但设计人员面临着重要的挑战。其中包括：
输出晶体管尺寸的选择
输出级保护
音质
调制技术
电磁干扰
液相色谱滤波器设计
系统成本
输出晶体管尺寸的选择
选择输出晶体管尺寸以优化各种信号条件下的功耗。确保在ds进行大型时保持较小我ds 需要导通电阻（r上）的输出晶体管要小（通常为0.1欧姆至0.2欧姆）。但这需要具有较大栅极电容（cg).开关电容的栅极驱动电路消耗功率—简历2f，其中c为电容，v为充电时的电压变化，f为开关频率。如果电容或频率过高，这种“开关损耗”就会变得过大，因此存在实际上限。因此，晶体管尺寸的选择是在最小化两者之间进行权衡我ds ×在ds 导通期间的损耗与最小化开关损耗。在高输出功率水平下，导电损耗将主导功耗和效率，而低输出电平下的开关损耗则主要由功耗决定。功率晶体管制造商试图尽量减少r上 ×cg 产品，以降低开关应用中的整体功耗，并在开关频率选择方面提供灵活性。
保护输出级
必须保护输出级免受许多潜在危险条件的影响：
过热：d类的输出级功耗虽然低于线性放大器，但如果放大器被迫长时间提供非常高的功率，仍会达到危及输出晶体管的水平。为了防止危险的过热，需要温度监控控制电路。在简单的保护方案中，当输出级的温度（由片上传感器测量）超过热关断安全阈值时，输出级被关断，并保持关闭状态，直到其冷却下来。除了关于温度是否超过关断阈值的简单二进制指示外，传感器还可以提供额外的温度信息。通过测量温度，控制电路可以逐渐降低音量，降低功耗并将温度保持在限制范围内，而不是在热关断事件期间强制实现可察觉的静音期。
输出晶体管中的电流过大：如果输出级和扬声器端子正确连接，输出晶体管的低导通电阻不是问题，但如果这些节点无意中相互短路，或者与正极或负极电源短路，则会产生巨大的电流。如果不加以控制，这种电流会损坏晶体管或周围的电路。因此，需要电流检测输出晶体管保护电路。在简单的保护方案中，如果输出电流超过安全阈值，则输出级关断。在更复杂的方案中，电流传感器输出被反馈到放大器，力求将输出电流限制在最大安全水平，同时允许放大器连续运行而不关断。在这些方案中，如果尝试的限制被证明无效，则可以强制关闭作为最后的手段。有效的限流器还可以在扬声器谐振引起的瞬态电流较大的情况下保持放大器安全运行。
欠压：大多数开关输出级电路只有在正电源电压足够高的情况下才能正常工作。如果存在欠压情况，即电源过低，则会产生问题。此问题通常由欠压锁定电路处理，该电路仅当电源电压高于欠压锁定阈值时，才允许输出级工作。
输出晶体管导通时序：mh 和 ml 输出级晶体管（图 6）具有非常低的导通电阻。因此，避免mh和ml同时开启的情况非常重要，因为这会从v创建低电阻路径dd到 v党卫军通过晶体管和较大的直通电流。充其量，晶体管会发热并浪费功率;在最坏的情况下，晶体管可能会损坏。晶体管的先开后合控制通过在打开一个晶体管之前强制两个晶体管关闭来防止击穿条件。两个晶体管关闭的时间间隔称为非重叠时间或死区时间。
图6.输出级晶体管的先开后合开关。
音质
要实现d类放大器的良好整体音质，必须解决几个问题。
放大器打开或关闭时发生的咔嗒声和爆裂声可能非常烦人。然而，遗憾的是，除非在放大器静音或未静音时特别注意调制器状态、输出级时序和lc滤波器状态，否则它们很容易引入d类放大器。
信噪比（snr）：为避免放大器本底噪声发出嘶嘶声，便携式应用的低功耗放大器的信噪比通常应超过90 db，中等功率设计的信噪比应超过100 db，高功率设计的信噪比通常应超过110 db。这对于各种放大器方案都是可以实现的，但在放大器设计过程中必须跟踪各个噪声源，以确保获得令人满意的整体snr。
失真机制：其中包括调制技术或调制器实现中的非线性，以及输出级用于解决直通电流问题的死区时间。
有关音频信号电平的信息通常以d类调制器输出脉冲的宽度编码。增加死区时间以防止输出级直通电流会导致非线性时序误差，从而在扬声器上产生与时序误差与理想脉冲宽度成比例的失真。避免击穿的最短死区时间通常最适合最小化失真;有关优化开关输出级失真性能的详细设计方法，请参见延伸阅读2。
其他失真来源包括：输出脉冲中的上升和下降时间不匹配、输出晶体管栅极驱动电路的时序特性不匹配以及lc低通滤波器组件的非线性。
电源抑制 （psr）：在图2电路中，电源噪声几乎直接耦合到扬声器，抑制非常小。这是因为输出级晶体管通过非常低的电阻将电源连接到低通滤波器。滤波器可抑制高频噪声，但设计用于传递所有音频，包括噪声。有关单端和差分开关输出级电路中电源噪声影响的良好描述，请参见进一步阅读3。
如果既不解决失真也不解决电源问题，则很难实现优于10 db的psr或优于0.1%的总谐波失真（thd）。更糟糕的是，thd往往是听起来很糟糕的高阶类型。
幸运的是，这些问题有很好的解决方案。使用具有高环路增益的反馈（如许多线性放大器设计中所做的那样）会有很大帮助。lc滤波器输入端的反馈将大大提高psr，并衰减所有非lc滤波器失真机制。lc滤波器非线性可以通过将扬声器包含在反馈环路中来衰减。psr > 60 db、thd 60 db psr，使用来自开关输出级的连续时间模拟反馈和优化的输出级栅极驱动。其 1 位 σ-δ 调制器特别针对 d 类应用进行了增强，可实现 500 khz 的平均数据频率、高达 90% 调制的高环路增益和全调制的稳定性。独立调制器模式允许其驱动外部 fet 以获得更高的输出功率。
pga、调制器和数字逻辑采用5 v电源，开关输出级采用8 v至20 v高压电源。相关参考设计符合 fcc b 类 emi 要求。采用6 v和5 v电源驱动12 ω负载时，ad1994静态功耗为487 mw，710 × 2 w输出电平功耗为1 mw，省电模式下功耗为0.27 mw。采用 64 引脚 lfcsp 封装，额定温度范围为 –40°c 至 +85°c
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