??? 主持人 馮曉偉

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　　特邀嘉賓

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　　ADI公司便攜式音頻產品部市場經理 張揚

　　華潤矽威科技（上海）有限公司系統應用部經理　王新成

　　美國國家半導體亞太區市場經理 郭俊杰

　　美信集成產品公司中國區市場傳播及應用支持經理　魏智

　　恩智浦半導體多重市場產品部大中華區高級市場經理　張秋明

　　安森美半導體數字及消費產品部低壓電源管理產品市場經理　林欣欣

　　羅姆" title="羅姆">羅姆微電子集團模擬技術專家

　　德州儀器中國區高性能模擬產品業務開發經理　張洪為

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　　編者按：

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??? 隨著便攜式消費類產品日漸滲入生活的各個領域，模擬器件家族的重要成員—— D類放大器的應用日益廣泛。與其他類別的放大器相比，D類放大器的優勢何在，發展前景如何？就技術而言，D類放大器應用了哪些關鍵技術，有哪些技術瓶頸尚待突破？模擬器件主流廠商在D類放大器領域各自的優勢何在，其技術有何特色？針對這些問題，《中國電子報》邀請業內知名企業人士進行了探討。

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　　效率優勢明顯

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　　●功耗低符合節能環保要求

　　●散熱少縮減電路板尺寸

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　　張洪為　　

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??? A類放大器使用一只晶體管作為直流電流源，能夠提供揚聲器需要的最大音頻電流，其輸出級可以提供優良的音質，但功耗非常大，因為通常有很大的直流偏置電流流過輸出級晶體管，而沒有提供給揚聲器。

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　　B類放大器沒有直流偏置電流，所以功耗大大減少。其輸出晶體管是以推拉方式獨立控制，從而允許高端晶體管為揚聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負電流。由于只有信號電流流過晶體管，因而減少了輸出級功耗。但是B類放大器電路的音質較差，因為當輸出電流過零點和晶體管在通斷狀態之間切換時會造成線性誤差。

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　　AB類放大器是A類放大器和B 類放大器的折中，它也使用直流偏置電流，但它遠小于單純的A類放大器。小的直流偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質，其功耗介于A類放大器和 B類放大器之間，也需要一些控制電路以使其提供或吸收大的輸出電流。遺憾的是，即使是精心設計AB類放大器也有很大的功耗。

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　　D類放大器由于具有不同的拓撲結構，其功耗遠小于上述任何一類放大器。D類放大器的輸出級在正電源和負電源之間切換從而產生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗，因為當輸出晶體管在不導通時具有零電流，并且在導通時具有很低的電壓，因而功耗較低。

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　　魏 智

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??? 大多數音頻系統設計工程師都非常清楚，D類放大器與線性音頻放大器相比，在功效上有相當的優勢。對于線性放大器" title="線性放大器">線性放大器來說，偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會損耗大量功率。因為D類放大器的晶體管只是作為開關使用的，用來控制流過負載的電流方向，所以輸出級的功耗極低。D類放大器的功耗主要來自輸出晶體管導通阻抗、開關損耗和靜態電流開銷，放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類放大器對散熱器的要求大為降低，甚至可省掉散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應用。

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　　過去，基于PWM（脈寬調制）方式的典型D類放大器需要外部濾波元件，會產生 EMI（電磁干擾" title="電磁干擾">電磁干擾）問題，并且“THD+N”（總諧波失真+噪聲）性能較差，因此與線性放大器相比，它的高效優勢大為失色。然而，最新一代的D類放大器采用先進的調制和反饋技術，可很好地緩解上述難題。

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　　張秋明

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　　與AB類放大器相比，D類放大器最大的優點是效率高：一般AB類放大器的效率不超過40%，而D類放大器通常可以達到80%以上，最高可以超過90%.由于其高效率，D類放大器體積可以做得很小，便于采用較小的封裝，在中小功率產品中，基本上不需要外加散熱器。

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　　目前同等功率的D類放大器單顆芯片價格要比AB類貴，但是由于不需要散熱片，在一些大功率應用比如組合音響、家庭影院上，D類和AB類總成本比較接近。另外，采用D類放大器還可以節省電源成本和能源消耗，符合節能環保趨勢。

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　　林欣欣　　

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??? D類放大器的開關結構是比AB類放大器更優勝的地方，但這也造就了它的缺點，即EMI的問題。人耳的聽力范圍介于200Hz至20kHz之間，D類放大器PWM信號的開關頻率" title="開關頻率">開關頻率一般要高于這個范圍，因此終端用戶聽不到PWM頻率噪聲。但是，當開關信號及其高頻諧波被傳播至PCB（印制電路板）上時，它可能與系統中的射頻（RF）電路產生干擾。所以為了盡量減少任何潛在EMI問題所帶來的影響，必須審慎地進行EMI濾波和做好布線預防措施。

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　　通常來講，D類放大器的“總諧波失真+噪聲”額定值低于0.1%，而AB類通常低于0.01%.但對大多數擴音器應用而言，D類放大器的輸出聲音質量都可接受。只不過在頭戴式耳機應用中，由于音頻輸出接近人耳，需要高保真的音頻質量，所以，AB類放大器仍是設計的首選。

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　　D類放大器調制音頻信號" title="音頻信號">音頻信號采用的是PWM信號，而PWM信號是由電源電壓進行偏置。D類放大器的額定電源抑制比（PSRR）可用于衡量這類放大器由電源電壓波動產生失真的程度。設計人員應選具有較佳PSRR的D類放大器。

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　　王新成　　

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??? AB類放大器采用了運算放大器的結構，由誤差校正、電壓放大和電流放大三部分組成，使用的全部是線性器件。D類放大器是由三角波產生器、積分器、比較器和電流開關組成，使用的是脈沖數字電路，幾乎全部是非線性器件。AB類放大器具有良好的性能指標和更好的音質。D類放大器有很高的效率和明快的中高音，但存在EMI問題。D類放大器更適合于便攜式電子產品、平板電視和有源音箱。但目前由于價格高于AB類放大器，應用沒有AB類廣泛。

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　　羅姆專家以前的揚聲器放大器以AB類為代表的模擬方式為主流產品。此方式中，電源功率大部分提供給內部電路的偏置，以使輸出三極管工作在線性區域，因此功率損失較大，從而產生較大的發熱量（無用的能量）。因此，在成品當中，作為高發熱量的對策，都必須采用大型散熱片或散熱風扇。針對這種現象，D類放大器中給揚聲器負載提供電流的輸出三極管工作于開關狀態，功率損失非常小，因此，D類放大器具有發熱量小的顯著優點。

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　　張 揚　

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??? 能夠使用線性放大器的任何場合都可以使用D類放大器。不過，D類放大器功耗更低，產生的熱量更少，不僅能夠減小電路板尺寸，降低成本，并能延長便攜式系統的電池壽命，因此，在應用中具有明顯優勢。

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　　D類放大器采用了最新的技術，成本比線性放大器略高，但其價格正在下降。由于D類放大器功耗較低，因此省去了與散熱器、風扇或其他冷卻設備相關的成本（與空間）。此外，當利用數字信號源進行驅動時，線性放大器需要數模轉換器（DAC）將數字音頻信號轉換為模擬格式，而數字輸入的D類放大器有效集成了DAC功能，進一步減小了成本與PCB面積。

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　　應用領域逐漸拓寬

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　　●便攜式產品應用盡顯優勢

　　●平板電視領域前景看好

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　　郭俊杰

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??? D類放大器屬于揚聲器專用的放大器，其典型應用領域是音樂手機等便攜式多媒體設備，此外還有汽車音頻系統、數字電視、超便攜電腦（UMPC）以及剛剛興起的MID（移動互聯網設備）等。

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　　林欣欣　　

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??? 近年來，在延長電池工作時間和音樂播放時間等市場需求的帶動下，手機已經從采用AB類放大器轉向D類放大器。目前仍有一大部分的手機采用AB類放大器作為揚聲器放大器，尤其是那些揚聲器主要用作鈴聲的手機，放大器所消耗的電流極小，且持續時間短。在這類手機中，D類放大器可能沒有太多的優勢。但對其他有免提揚聲器、MP3播放器、流視頻和移動電視等諸多音頻播放功能的手機來說，D類放大器能夠延長電池工作時間，優勢不言而喻。近年來，中國的音頻設計人員已具備較高的系統設計技術水平，能夠采用D類放大器進行“無噪聲”設計。

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　　由于D類放大器需要的散熱面積較小，它將有助于減小散熱片尺寸，幫助實現小巧纖薄的音頻終端設計。在液晶電視和筆記本電腦等應用中，產品的厚度是決定消費者選擇的關鍵因素之一，這使得D類放大器在這些領域的應用前景被看好。

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　　王新成

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　　D類放大器在手機、家電、PC等領域的應用情況沒有半導體廠商預料的好，主要原因是售價比AB類放大器高50%甚至幾倍，還要在系統設計上花費成本和時間解決EMI.但D類放大器的能耗只是AB類的43%，節能特性決定了它未來的美好前景。

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　　D類放大器本質上是一個DC-DC（直流-直流）轉換器，只不過參考信號不是基準電壓，而是變化的音頻信號。因而只要有足夠的輸出功率，D類放大器可用于開關電源和馬達驅動。但這種用法并不是科學合理的解決方案，因為在這些領域具有更優化的器件可用。

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　　魏智

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　　當前，針對絕大多數應用都可以選擇適當的D類放大器。這些應用包括低功耗便攜式應用（如蜂窩電話和筆記本電腦），電池壽命、電路板空間和EMI兼容性要求在這類應用中至關重要；此外，還包括大功率應用（如車載音響系統或平板顯示器），最大限度降低散熱需求和發熱量在這類應用中必不可少。對D類放大器及其最新的技術發展有一個基本理解，將有助于設計者為具體應用選擇合適的放大器，并正確權衡某些功能特性的優勢和劣勢。

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　　羅姆專家

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　　電視機正快速向大屏幕、薄型化方向發展，對D類放大器的小型、薄型化以及高效率、低發熱特性提出日益嚴格的要求。此外，對于今后的產品特性，伴隨音頻信號的數字化要求，需要針對受限于產品尺寸配置的小揚聲器，必須帶有音頻特性修正的均衡器功能，以及可以使用液晶面板的24V背光電源直接驅動的高耐壓性能。羅姆電子正對應這些需求進行產品線的擴充。

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　　越來越多的手機具有音樂、視頻播放等多種功能。最重要的要求是電池的持續使用時間要延長，所以，對高效率、低功耗的D類放大器的需求今后會迅速擴大。D類放大器具有功率損失小、發熱量少的特點，因此電機驅動器、逆變器等都可以采用。

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　　張秋明

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　　D類放大器在手機應用上已經非常成熟，估計近1/3的手機已使用D類放大器。在平板電視中，32英寸以上的電視，基本上都采用了D類放大器。在組合音響、iPod音箱中，D類放大器的應用也越來越普遍。此外，在馬達控制領域，D類放大器也有少量應用。

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　　系統需求決定集成程度

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　　●便攜式應用促進器件集成度提高

　　●系統設計應兼顧靈活性

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　　王新成

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　　功能整合是降低IC成本、增強產品競爭力的必然做法。目前Δ-Σ方式的D 類放大器集成在藍牙耳機、MP3播放器、音頻編解碼器和USB（通用串行總線）音頻等線寬小于0.25μm的混合型芯片中，輸出功率都不大，以驅動耳機和線路輸出為主。模擬自振蕩和三角波比較方式的D類放大器多集成在PMU（電源管理單元）、LED（發光二極管）驅動、音樂門鈴等線寬 0.5μm～1.2μm的芯片中，輸出功率不超過2.5W.這些產品對0.5W～2W輸出功率的D類放大器市場有沖擊，但對大功率D類放大器市場沒有影響。

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　　一些D類放大器內置了PWM調制器和功率MOS（金屬-氧化物-半導體）管，這使得器件的外圍電路較為簡單，在PCB板上所占的面積較小，使用比較方便，其缺點是不易實現個性化設計，輸出功率也不能隨意改變。調制器和功率MOS管分立的 D類放大器由于應用比較靈活，系統工程師可以發揮自己的創造力，通過變通外圍電路和選擇不同的器件，設計出與眾不同的產品。

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　　林欣欣

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　　移動基帶芯片組一直有一個或多個音頻放大器，但這些集成音頻放大器的使用僅局限于那些音頻輸出功率和聲音質量并非至關重要的移動設備。由于MP3音樂的流行，聲音質量成為移動設備的重要賣點，高輸出功率能力、低失真、無“噼啪 -滴答”噪聲等性能優異的獨立式音頻放大器將在中檔音樂手機中維持相當大的市場份額。但對于擁有多個音頻源和多路音頻輸出的較高檔多媒體手機而言，情況則大不相同，因為這些手機需要高質量的音頻處理和放大。由于這類便攜設備的空間極為有限，諸如音頻管理子系統的集成解決方案正在贏得更大的市場份額。

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　　羅姆專家

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　　以手機為代表的便攜式產品對于小型、輕量化的要求很高，D類放大器和 LED驅動器、LDO（低壓差線性穩壓器）等單片化的要求的確存在。但小型、輕量化的方向未必一定要單片化。比如，羅姆的CSP（芯片級封裝）技術可使實裝面積大幅縮小，基板布線也非常方便，另外，由于工作特性影響引起的噪音問題也得以解決。

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　　羅姆的D類放大器系列中，PWM調制器、柵極驅動、功率輸出三極管、保護電路等必要電路全部集成于一個芯片中。對整機來說，具有進行簡單設計即可實現動作的優點。通常認為揚聲器輸出在100W以下時，單片電路可以有效工作，如果揚聲器輸出功率超過100W，從輸出三極管的耐壓和特性方面考慮，需要多個柵極驅動器和輸出三極管共同構成。

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　　郭俊杰

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　　實際應用時，輸出功率較低的放大器必須將輸出級內置于芯片之中，以便縮小器件體積。部分輸出功率較高的D類放大器必須加設另一輸出級，以提高電流/電壓輸出，因此這類放大器必須采用分立的MOSFET（金屬-氧化物-半導體場效應晶體管），才可提高電流/電壓輸出。

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　　張 揚　　為了節省電路板空間，一些D類放大器在芯片上內置MOSFET，這對便攜式應用非常重要；其缺點是輸出功率被固定，而且會受到允許功耗的限制。更大型的設備，通常采用外部MOSFET，因為這樣可以增加靈活性。

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　　彌補電磁干擾“短板”

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　　●多種技術緩解電磁干擾

　　●根據器件需求選擇濾波方式

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　　張揚

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　　所有的D類調制技術都是將音頻信號編碼至脈沖流。最常見的技術是PWM.PWM技術之所以受到青睞，是因為它在數百千赫茲的載頻下具有100dB或以上的音頻帶信噪比（SNR）——這么低的噪聲足以限制輸出級的開關損耗。此外，調制器能實現幾乎100%的調制穩定度，允許高輸出功率。

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　　羅姆專家

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　　D類放大器由高電壓輸出PWM調制的信號，開關頻率雖只有數百千赫茲，但其高頻成分可以延伸至數百兆赫茲。這些噪音會通過電源線、揚聲器線傳播，引起整機產生電磁輻射干擾噪音。

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　　羅姆的D類放大器對高電壓的開關輸出電路采用最優化控制，強化對輸出信號波形的過沖、下沖及伴隨而來的振鈴波形的抑制，從而實現輻射噪聲的降低。另外，通常情況下D類放大器的開關輸出之后，由PWM調制的信號需要恢復成模擬信號，需要設置低通濾波器。羅姆的D類放大器，在手機及其他揚聲器線材較短的機器中，上述的低通濾波器可以省略，能夠使外圍元件數量得以減少。魏智　　美信通過對D類放大器的開關頻率加抖實現擴譜調制，實際開關頻率相對于標稱開關頻率的變化范圍可達到±10%.盡管開關波形的各個周期會隨機變化，但占空比不受影響，因此輸出波形可以保留音頻信息。擴譜調制有效拓寬了輸出信號的頻譜能量，而不是使頻譜能量集中在開關頻率及其各次諧波上。換句話說，輸出頻譜的總能量沒有變，只是重新分布在更寬的頻帶內。這樣就降低了輸出端的高頻能量峰，因而將揚聲器電纜的EMI輻射降至最低。雖然一些頻譜噪聲可能由擴譜調制引入音頻帶寬內，但這些噪聲可以被反饋環路的噪聲整形功能抑制掉。美信的很多免濾波器D類放大器還允許開關頻率同步至一個外部時鐘信號，因此用戶可以將放大器開關頻率設置到相對不敏感的頻率范圍內。

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　　美信的新一代D類音頻功率放大器采用了相同的擴譜調制技術，并在這項技術的基礎上增加了一項新的、正在申請專利的有源輻射抑制電路（AEL），在不降低音頻性能的情況下進一步降低窄帶頻譜分量。

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　　郭俊杰

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　　美國國家半導體有一系列無需濾波器的D類放大器，以擴展頻譜及增強版電波輻射抑制（E2S）技術為例，利用創新的技術，可將電磁干擾的影響減至最少。設計工程師只要采用已引進這些新技術的D類放大器，便不用擔心電磁波干擾器件的運作。

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　　此外，放大器若內置擴展頻譜調制電路，便無需加設輸出濾波器、磁珠或扼流圈。開關頻率會在中心頻率的上下波動，波幅約為±30%.這樣可減少爭用寬帶頻譜，確保揚聲器、相關電纜及電路板走線所產生的電波輻射進一步減少。相對來說，固定開關頻率D類放大器會有較大量的電波輻射，若電磁波的頻率剛好是開關頻率的倍數，創新的擴展頻譜技術可將電磁波輻射擴散至一個較大的頻帶范圍內。開關頻率的周期性波幅不會影響音頻信號的復制及轉換效率。

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　　E2S技術可以減少電磁干擾，確保復制的音頻信號準確無誤，而且還可進一步提高轉換效率。由于E2S技術能夠有效抑制輸出噪聲，因此輸出方波的高頻成分大致上可以全部濾除，而另一方面又可大量減少“THD+N”，并且大幅提高轉換效率。由于D類放大器采用E2S技術，可確保“THD+N”低至只有0.03%，轉換效率也可高達88%.

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　　張洪為

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　　目前，有一些其他的調制技術如PFM（脈沖頻率調制）或類似Δ-Σ調制類型的非定頻PWM技術在D類放大器中采用，但是PFM的寬范圍變頻給濾波器設計帶來困難，類似Δ-Σ調制類型的非定頻PWM只能實現1階Δ-Σ環，好處有限，對時鐘抖動和電源噪聲卻很敏感，使用并不廣泛。

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　　由于D類放大器使用的頻率一般在250kHz～500kHz之間，遠低于30MHz，對喇叭的輸出還可以采用雙絞線，EMI的影響遠低于一般想象。因此，我們建議小功率D類功放不加濾波器。

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　　王新成

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　　PWM技術在D類放大器中起著決定性的作用，目前幾乎所用的集成D類放大器都是基于PWM技術的，包括全數字Δ-Σ過采樣方式的D類放大器，它的核心技術是PCM（脈沖編碼調制）-PWM的轉換算法。PDM（脈沖密度調制）是另一個很有前途的方法，因為它具有更優良的EMI性能和更好的音質，但要求載波頻率必須高于2MHz以上，用目前的工藝難以解決開關損耗問題。

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　　華潤矽威設計的PT5305、PT5306、PT5326全部采用了無LC（電感-電容）濾波器技術，EMI傳導噪聲比傳統方式低12dB，可以替代AB類放大器。這些器件除效率是AB類放大器的2.3倍之外，還具有比AB類放大器更好的音質。

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　　林欣欣

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　　由于D類放大器利用動態揚聲器的寄生電感和電容作為低通濾波器，市場上的產品大多都是“無濾波器”設計。但是，這沒有免除在放大器輸出上進行EMI濾波的需要。無論D類放大器采用的是何種調制技術，它始終會在輸出端產生開關信號。這開關信號如果未被濾除，將沿著輸出和接地跡線傳播至系統的其他部分。安森美半導體建議音頻設計須留心EMI濾波和PCB布線設計兩方面的問題。 EMI濾波器應能消除可能與高于700 MHz RF頻率產生干擾的信號。常見的EMI濾波器解決方案是在D類放大器的每路輸出增加鐵氧體片式磁珠，其中磁珠的位置應該越接近放大器的輸出引腳越好。

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