音频功率放大器技术的发展进一步提高了平面显示器的音质，使其得以匹配平面显示器的画质。随着液晶电视、液晶显示器和电浆电视的屏幕尺寸不断增加，音频效能也要跟上脚步。散热与功耗是传统AB类或线性音频功率放大器固有的两大问题，它们让这类放大器无法成为新型平面显示器的良好解决方案。

由于线性放大器的效率很差，平面显示器业者转而采用D类音频功率放大器做为音频解决方案。D类音频功率放大器的散热较少，功耗也大幅降低，设计人员可为其应用提供更强大的音频功率效能，而且散热或功耗都不会增加，变压器和稳压器的体积也能保持很小，又不必使用散热片；事实上，D类音频功率放大器在提高功率效能的同时，还能减少热量的产生和功耗。

要让D类音频功率放大器发挥最大效能，只需遵照电路板布局和测试程序即可，它们都包含在TI提供的应用说明中，本文也引用了这些数据。

线性音频功率放大器的问题

效率低落是线性音频功率放大器的固有缺点，在多数情形下，它们以热量形式散逸的功耗还是会超过送至喇叭的功率。线性放大器效率低落的原因是电源会在线性放大器的输出晶体管两端产生压降，当线性放大器输出电压讯号不等于电源电压时，放大器内部就会产生功耗；若放大器的输出电压讯号等于电源电压，放大器又会产生失真，因为输出电压讯号会被电源「截波」，这种现象如同(图一)所示。

《图一 10V、1kHz弦波讯号被电源截波》

讯号截波导致的失真听起来并不舒服，工程师为避免其发生，通常会让输出电压讯号小于电源电压，这使得内部电压降必然会出现，其值则等于电源电压 （VDD）减掉输出电压的均方根值，这个电压降再乘上平均供应电流IDD(avg)就得到线性放大器的内部功耗；电压降越大，放大器的效率就越低。差动输出线性放大器工作效率的简单计算公式如下：

《公式一》

根据(公式一)，使用12V电源的线性放大器将3W功率送至8Ω喇叭时，它的效率只有45％，这表示立体声解决方案的总功耗将为13.3W。对于需要3W放大器的典型17吋液晶显示器，它的总功耗通常为90W，此时线性放大器就占了液晶显示器总功耗的15％；除此之外，这个放大器还会产生7.3W的热量，因此需要很大的散热片。

解决线性放大器的问题

不同于线性音频功率放大器，D类功率放大器的效率与PL或VDD无关。就理论上而言，D类音频功率放大器的效率为100％，因为D类输出晶体管的功能就像是快速导通和截止的开关：晶体管导通时，输出电压就等于电源电压，若晶体管是理想组件，就不会出现电压降（它乘上平均供应电流就等于功耗）。另外，晶体管停止导通时会变成开路，此时不会有电流通过，也就不会出现功耗。(图二)是D类音频功率放大器的输出波形。

《图二 12W立体声D类音频功率放大器的输出波形》

然而非理想晶体管导通时并不是短路，因此D类的效率主要是由输出晶体管的导通阻抗rds(on)所决定。D类放大器工作效率的简单计算公式是：

《公式二》

在前面的例子中，线性放大器的效率为45％，此处采用同样的工作条件，再假设导通阻抗等于0.58Ω，那么D类的效率可由上式计算而得为93％。但在组件进入稳定工作状态后，导通阻抗rds(on)也会随之增加，为了更精确反应这个现象，假设工作效率为87％，此时D类放大器消耗的总电力只有6.8W，而不是线性放大器的13W。由于功耗减少48％，设计人员可以使用较小的变压器和稳压器；除此之外，因为功耗散逸只有0.8W，而不是线性放大器的7.3W，所以D类放大器不需要外接散热片。

250kHz开关频率至少可对音频讯号进行10倍取样，确保应用系统获得高质量的音频，其音质绝不低于、甚至还会超越这些应用目前所用的线性放大器。图二所示的高频PWM输出波形就含有音频讯号，喇叭的功能则像是一个低通滤波器，只会将其中的音频讯号再生。在绝大多数的应用中，讯号进入喇叭之前还需要经过最小滤波，以便减少电磁干扰现象。

平面显示器的新型D类音频功率放大器

如(图三)所示，目前已有几种新型D类音频功率放大器能满足各种尺寸的平面显示器需求。选择平面显示器的音频功率放大器时，输出功率是规格考虑的重点；平面显示器越大，用户就会坐在距离显示器越远的地方，所以音频功率放大器的输出功率就要越高。

《图三 平面显示器的D类音频功率放大器》

图三的所有立体声D类音频功率放大器都采用48只接脚QFP表面黏着封装，彼此的接脚也完全兼容。单声道TPA3001D1则采用24只接脚TSSOP封装，最大尺寸只有6.6×7.9厘米；类似的线性放大器则采用通孔单排或双排封装，它们需要人工组装，封装尺寸则是19.6×22.5厘米，超出TPA3001D1约有8倍之多；另外，它们还需安装散热片。

TPA3004D2和TPA3002D2都内建爆裂音消除电路、直流音量控制、关机控制以及立体耳机驱动器的直接输出，TPA3001D1、TPA3008D2和TPA3005D2则提供四组整合式固定增益设定来取代直流音量控制，所以不需要外部回授或输入电阻。最后则是TPA3003D2，这颗低功耗立体声D类音频功率放大器可做为设计人员的另一种选择；除了立体耳机放大器的直接输出外，它的功能和TPA3002D2完全相同。

所有D类放大器都采用全差动输入级与桥式输出级，它们在提供最大输出功率的同时，还能将噪声减至最小。

如何利用D类音频功率放大器进行设计

这段文章将参考德州仪器（TI）提供的两份应用说明：「TPA300x系列的电路板布局准则」（Layout Guidelines for TPA300x Series Parts）以及「音频功率放大器的效能量测准则」（Guidelines for Measuring Audio Power Amplifier Performance）。

要让TPA3000D放大器发挥最大效能，就必须遵守五项重要的电路板布局原则。

「TPA300x系列的电路板布局准则」包含上述原则的详细说明，评估模块则能做为最好的电路板布局范例。TI还为所有已推出的音频功率放大器提供完整的评估模块及用户手册，其中包含电路板布局、线路图和用料列表。

D类放大器的效能测试并不困难，但通常需要使用低通滤波器，因为许多分析仪的输入并无法精准处理快速变动的PWM输出讯号。(图四)显示如何将频率产生器连接至D类音频功率放大器，以及如何在音频功率放大器与分析仪之间连接低通RC滤波器。

《图四 差动输入—BTL输出量测电路》

截止频率设在20Hz到20kHz的音频频带之上，使得低通RC滤波器对于量测准确性的影响很小。若采用(表一)的RFILT与CFILT建议值，则截止频率为34kHz。

《表一 典型的RC量测滤波器值》

为了获得准确的效率量测值，RFILT每次都必须增加10倍，以便减少分流至滤波器的电流大小；CFILT每次也要减少10倍，确保截止频率不会改变。

遵循以下五项规则，将有助于获得准确的测试结果。

结论

D类技术为需要音频功能的平面显示器带来最好的音频功率放大器解决方案，这种放大器的高效率工作能力可将热量减至最少，使其不再需要散热片；它还能降低总功耗，协助减少变压器和稳压器的体积与成本。（作者任职于德州仪器）