A类 B类 D类放大器的优缺点
当数字音频数据处理完毕,成为模拟声音讯号后,须加以放大输出,因此放大IC也是攸关音质高低的重要环节。
不过放大技术与音质的关连性,却不能完全以音质的角度出发,以传统的ClassA/AB放大技术来看,A类放大的音质最好,其原理是纯粹的以模拟讯号进行线性放大,音质没有失真。
不过,A类放大虽具有最佳的信号传真性,但是却相当耗电,一般来说,电能利用率只有20%~30%,例如供应100W电力给A类放大装置,最后真正输出到喇叭发声功率的只有25W左右,其余的75W通通耗掉,除了电力效率不佳,高耗能也代表会产生高废热,常需要再放大晶体管上配装大型的散热片辅助散热。对手持式装置来说,高功耗与高热都是设计上的原罪,开发者避之唯恐不及。
另一种B类放大设计,虽省电性较佳,但信号失真影响音质甚巨,因此衍生兼具两者优点的AB类放大,在音质与省电性取得较能接受的均衡点,过去成为消费性音响领域最受欢迎的放大方式。
但目前在数字播放装置,越来越讲求整体电路配置空间缩小,并且降低功耗让产品更省电,以维持电池续航力等种种发展趋势下,于1958年就提出的D类放大(Class D Audio Power Amplifier),目前成为当红炸子鸡。
D类放大利用的原理为PWM(Pulse Width Modulation),作用方式类似于主板上交换式电源概念,即利用数字频率波型的疏密来输出模拟振幅的高低大小,频率密则振幅高,反之频率疏时则振幅降低。也因此运作模式,D类放大意被称为数字式功率放大或数字功放。
D类放大省略了传统AB类晶体放大,在做成大功率机型时所需的大型变压器、超大滤波电容,可改以小电容与类似交换式电源供应模式(Switching Power)的小型变压器取代,使得电能可以快速直接地驱动喇叭单体,此运作模式提供极高的电能利用率,纯理论上是100%运用,实务上电能利用率也经常在80%、90%水平。
由上述驱动模式即可发现,D类放大电路当然在工作时不易产生高热,所以可以免掉占空间的散热片,此外,由于采用PWM模式,D类放大电路所需的体积,会比传统的功率放大线路小了许多,成本也较低,加上低耗热优点,D类放大线路非常适合塞在小空间里。
不过以音质的角度检视,D类放大的缺点是以调变程序所形成的放大,其结果必然与原始信号有些出入,但在一般消费性产品的音乐播放上,其质量可被接受,甚至在目前的技术下,D类放大的音质越来越好,特别是在低瓦数的状况下。
例如,以采用D类放大器IRS2092S D的IRAUDAMP5设计方案,与同等级AB类放大输入比较,在1KHz、接4Ω负载时,80W以下区域,D类放大的THD+N实际上是低于AB类放大器,而在60W附近,D类放大的THD+N更是进步到了0.005%的水平。
只有在80W到140W区域,AB类放大的性能才稍高过D类放大,不过即使到的120W,D类放大的THD仍不超过1%。对于大部份数字音效装置来说,很少用到高功率,低功率的情况比较常见,此时D类放大的反而占有音质优势。
D类放大的优劣评估,在于供电抑制率(Power Supply Rejection Rate; PSRR)以dB为单位,PSRR必须尽可能高。对于音质方面,则为总谐波失真加噪讯比(THD+N)要求,此点以百分比(%)为单位,THD+N则是尽量低,一般不超过10%,高标要求上还要低于0.1%、0.01%。不过THD+N建议与负载阻抗RI、输出功率(Output Power)、PWM的调变频率(f)等作比较,才能准确判断。
此外,D类放大有独特的电子特性,因此在音质评估时,必须注意EMI电磁干扰问题。因D类放大IC会持续、频繁地进行晶体管的导通、关闭作业,所以很容易产生电磁干扰,对于音质当然有不利影响。因此越能降低电磁干扰散发度的产品越好,不过此点在空间与成本许可的情况下,可用金属外壳加强屏蔽。
此外,许多D类放大IC在省电性、控制性、体积缩小、弹性、保护能力上都有所著墨,形成各家的特色,大部份与音质没有太大的关系,不过有些设计如果太过头,对于音质就会有影响。
例如一些D类放大IC减少后段的LC低通滤波电路质量,如使用更小的电容,或根本省去电容(Cap-Free),甚至有些设计连外接电感都一?省去(LC-Free、Filter-Free),直接将扬声器的的音圈之漏电感来充当LC用,当然,此种D类放大IC能够达到相当小的体积,因其输出接脚可与喇叭、耳机直接相连。
虽此种设计方式可将体积缩至极小,但高频部份未经过滤就直接输出,喇叭不易将20KHz以上的频率发声,即便发出人耳也听不到的20KHz以上的频率,但如果省过头,也可能对可听范围内的音质产生负面影响,D类放大IC的提供商有ADI, Cirrus Logic, MAXIM, Motorola, NS, Philips, Sanyo, ST, TI, TriPath等。
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