D 類音頻功率放大器（ Class D Audio Power Amplifier ） 詹金萬
近二十年來電子學課本上所討論的放大器偏壓(Bias)分類不外乎 A 類、B 類、C 類等放大電路，而討論音頻功率放大器僅強調 A 類、B 類、AB 類而卻把 D 類放大器給忘掉了，事實上 D 類放大器早在 1958 年已被提出(註一)，甚至還
有 E 類、F 類、G 類、H 類及 S 類等(註二)，只是這些類型的電路與 D 類很接 近，
運用機會低，所以也就很少被提及。
音頻功率放大器最大目的在提供喇叭得到最大功率輸出，而衛衍生與電源 所供給功率不對等的關係，即所謂功率放大器的效率(輸出功率與輸入功率之比) 如表一所示:
偏壓分類 A 類 AB 類 B 類 D 類 理想效率 25% 介於 A 與 B 類之間 78.5% 100%
表一 各類功率放大器的效率比
隨著輕、薄、短、小手持電子裝置的發展，諸如手機、MP3、PDA、IPOD 及 LCD TV…數位家庭等，尋求一個省電的高效率音頻功率放大器是必然的。因
此最近幾年音頻功率放大器由 AB 類功率放大器轉以 D 類功率放大器為主流。如 圖 1 所示(註三)，在實際應用上 D 類放大效率可達 90%以上遠超過效率 50%的 AB 類放大。所以 D 類放大的電晶體散熱可大大的縮小，很適合應用於小型化的
電子產品。
圖 1 D 類 及 AB 類效率比較
一、
D
類放大器的架構
D 類放大器又可稱數位式功率放大，基本架構如圖 2 所示，輸入訊號經由
脈波寬度調變器(Pulse Width Modulation)將音頻信號調制成數位信號 後，由功率電晶體(Q1,Q2)放大輸出，再經由低通濾波器(Lf,Cf)取出原輸入 端的音頻訊號送至喇叭輸出。
圖 2 D 類放大器基本架構
由於功率電晶體輸入為一數位信號，Q1,Q2 工作處於飽和與截止兩個狀 態，因此 Q1,Q2 本身所消耗功率將非常小，提高整個放大器的效率，而使散熱 裝置大幅減小進而在元件的設計上可以大大縮小其體積。如圖 3 所示 MP7720
具有 20W 輸出的 D 類放大器的尺寸為 4.8mm x 5.8mm x 0.135mm(註四)
圖 3 MP7720 元件圖
二、
D
類放大器的功率分析
功率放大器的輸出屬開關狀態，即輸出為一方波波形，由傅利葉級數分 析 知:
Vo(t)=
4Vcc
( sint +
1
sin3t +
1
sin5t +
1
sin 7t+…)
3 5 7
4Vcc
高次諧波經由低通濾波器濾除後，輸出信號的最大值為 ，因此負載所
能得到的最大功率 PLm
為
2 2
PLm= Vm
= 8Vcc RL 2 RL
2V 8Vcc 8Vcc 2
而電路的平均電流
Iav= m
=
，則電源輸入功率 Ps=Vcc
*Iav=
2 RL
2 RL 由 PLm 與 Ps 比值知， D 類放大效率達到 100%。
三、脈波寬度調變器(Pulse Width Modulation;PWM)
PWM 屬於數位通訊中調變模式的一種方式，也經常被應用在直流馬達
的伺服控制、交換式電源供給器(switching power supply )…等，
其間的差異在於所使用振盪器頻率的不同，基本架構如圖 4 所示，就是 利
用一三角波經由比較 器與輸入信號作比較 而產生一方波輸出，而 方波的輸出頻率與輸 入三角波頻率相同，僅 方波的工作週期隨著 輸入信號(正弦波)振
幅大小而改變如圖 5 所
示。圖 6 所示為一簡 易
圖 4 PWM 基本架構
型 PWM 產生電路(註五)，由樞密特電路及積分電路所組成，振盪器頻率由 R、 C、及 R1’R2 所決定:
R2 fo=
4RCR1
圖 5 PWM 輸出波形
D 類放大器主要提供 20~20Khz 音頻放大，因此 PWM 調制頻率必須使
用大於 10 倍以上的頻率，頻率愈高還原後的信號將愈細膩、清晰，例如 MP7720 如表二所示均使用在 600Khz 以上。
圖 6 PWM 產生器
表二 MP7720 增益、調制頻率及電容的關係表
四、MP7720 電路分析
D 類放大器的常見業者有 ADI、Cirrus Logic、MAXIM、Motorola、NS、 Philips、Sanyo、ST、TI…等，圖 7 電路所示為 MonolithicPower 公司所生
產的 MP7720 應用電路，提供 20W 的輸出功率(Vdd=24v)，放大倍數由 R4,R1
決定，Av=-
R
4, C3 負責調制頻率的大小如表二所示，電路頻率為 720KHz,
R
1
而 R3,R2 決定放大器工作點的偏壓。
表二 MP7720 典型應用電路
五、結論
D 類放大器由於具有高效率、省電及體積小的特點，隨著掌上型、行 動式、手持式裝置的發展，其音效部分大都以 D 類放大器為主流，因此 在
電子學的教學方面應多加強調，尤其 PWM 電路觀念的介紹，對學習電子、
資訊及電機領域的同學幫助很大。
六、參考資料
註一:Class D Audio Amplifier,Analog Dialogue 40-60,June(2006),www.analog.com 註二:Solid State Radio Engineering”,Herbert L.Krauss ,1980 竹一出版社
註三: Sergio Sánchez Moreno (ColdAmp) ,June 2005, sound.westhost.com/articles/pwm.htm 註四:MP7720 20W Class D Mono Single Ended Audio Amplifier,www.MonolithicPower.com 註
五: PWM Motor/Light Controller, www.solorb.com
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