音訊功率放大器技術的發展進一步提高了平面顯示器的音質，使其得以匹配平面顯示器的畫質。隨著液晶電視、液晶顯示器和電漿電視的螢幕尺寸不斷增加，音訊效能也要跟上腳步。散熱與功耗是傳統AB類或線性音訊功率放大器固有的兩大問題，它們讓這類放大器無法成為新型平面顯示器的良好解決方案。

由於線性放大器的效率很差，平面顯示器業者轉而採用D類音訊功率放大器做為音訊解決方案。D類音訊功率放大器的散熱較少，功耗也大幅降低，設計人員可為其應用提供更強大的音訊功率效能，而且散熱或功耗都不會增加，變壓器和穩壓器的體積也能保持很小，又不必使用散熱片；事實上，D類音訊功率放大器在提高功率效能的同時，還能減少熱量的產生和功耗。

要讓D類音訊功率放大器發揮最大效能，只需遵照電路板佈局和測試程序即可，它們都包含在TI提供的應用說明中，本文也引用了這些資料。

線性音訊功率放大器的問題

效率低落是線性音訊功率放大器的固有缺點，在多數情形下，它們以熱量形式散逸的功耗還是會超過送至喇叭的功率。線性放大器效率低落的原因是電源會在線性放大器的輸出電晶體兩端產生壓降，當線性放大器輸出電壓訊號不等於電源電壓時，放大器內部就會產生功耗；若放大器的輸出電壓訊號等於電源電壓，放大器又會產生失真，因為輸出電壓訊號會被電源「截波」，這種現象如同(圖一)所示。

《圖一　10V、1kHz弦波訊號被電源截波》

訊號截波導致的失真聽起來並不舒服，工程師為避免其發生，通常會讓輸出電壓訊號小於電源電壓，這使得內部電壓降必然會出現，其值則等於電源電壓 （VDD）減掉輸出電壓的均方根值，這個電壓降再乘上平均供應電流IDD(avg)就得到線性放大器的內部功耗；電壓降越大，放大器的效率就越低。差動輸出線性放大器工作效率的簡單計算公式如下：

《公式一》

根據(公式一)，使用12V電源的線性放大器將3W功率送至8Ω喇叭時，它的效率只有45％，這表示立體聲解決方案的總功耗將為13.3W。對於需要3W放大器的典型17吋液晶顯示器，它的總功耗通常為90W，此時線性放大器就佔了液晶顯示器總功耗的15％；除此之外，這個放大器還會產生7.3W的熱量，因此需要很大的散熱片。

解決線性放大器的問題

不同於線性音訊功率放大器，D類功率放大器的效率與PL或VDD無關。就理論上而言，D類音訊功率放大器的效率為100％，因為D類輸出電晶體的功能就像是快速導通和截止的開關：電晶體導通時，輸出電壓就等於電源電壓，若電晶體是理想元件，就不會出現電壓降（它乘上平均供應電流就等於功耗）。另外，電晶體停止導通時會變成開路，此時不會有電流通過，也就不會出現功耗。(圖二)是D類音訊功率放大器的輸出波形。

《圖二　12W立體聲D類音訊功率放大器的輸出波形》

然而非理想電晶體導通時並不是短路，因此D類的效率主要是由輸出電晶體的導通阻抗rds(on)所決定。D類放大器工作效率的簡單計算公式是：

《公式二》

在前面的例子中，線性放大器的效率為45％，此處採用同樣的工作條件，再假設導通阻抗等於0.58Ω，那麼D類的效率可由上式計算而得為93％。但在元件進入穩定工作狀態後，導通阻抗rds(on)也會隨之增加，為了更精確反應這個現象，假設工作效率為87％，此時D類放大器消耗的總電力只有6.8W，而不是線性放大器的13W。由於功耗減少48％，設計人員可以使用較小的變壓器和穩壓器；除此之外，因為功耗散逸只有0.8W，而不是線性放大器的7.3W，所以D類放大器不需要外接散熱片。

250kHz開關頻率至少可對音頻訊號進行10倍取樣，確保應用系統獲得高品質的音訊，其音質絕不低於、甚至還會超越這些應用目前所用的線性放大器。圖二所示的高頻PWM輸出波形就含有音頻訊號，喇叭的功能則像是一個低通濾波器，只會將其中的音頻訊號再生。在絕大多數的應用中，訊號進入喇叭之前還需要經過最小濾波，以便減少電磁干擾現象。

平面顯示器的新型D類音訊功率放大器

如(圖三)所示，目前已有幾種新型D類音訊功率放大器能滿足各種尺寸的平面顯示器需求。選擇平面顯示器的音訊功率放大器時，輸出功率是規格考量的重點；平面顯示器越大，使用者就會坐在距離顯示器越遠的地方，所以音訊功率放大器的輸出功率就要越高。

《圖三　平面顯示器的D類音訊功率放大器》

圖三的所有立體聲D類音訊功率放大器都採用48隻接腳QFP表面黏著封裝，彼此的接腳也完全相容。單聲道TPA3001D1則採用24隻接腳TSSOP封裝，最大尺寸只有6.6×7.9釐米；類似的線性放大器則採用通孔單排或雙排封裝，它們需要人工組裝，封裝尺寸則是19.6×22.5釐米，超出TPA3001D1約有8倍之多；另外，它們還需安裝散熱片。

TPA3004D2和TPA3002D2都內建爆裂音消除電路、直流音量控制、關機控制以及立體耳機驅動器的直接輸出，TPA3001D1、TPA3008D2和TPA3005D2則提供四組整合式固定增益設定來取代直流音量控制，所以不需要外部回授或輸入電阻。最後則是TPA3003D2，這顆低功耗立體聲D類音訊功率放大器可做為設計人員的另一種選擇；除了立體耳機放大器的直接輸出外，它的功能和TPA3002D2完全相同。

所有D類放大器都採用全差動輸入級與橋式輸出級，它們在提供最大輸出功率的同時，還能將雜訊減至最小。

如何利用D類音訊功率放大器進行設計

這段文章將參考德州儀器（TI）提供的兩份應用說明：「TPA300x系列的電路板佈局準則」（Layout Guidelines for TPA300x Series Parts）以及「音訊功率放大器的效能量測準則」（Guidelines for Measuring Audio Power Amplifier Performance）。

要讓TPA3000D放大器發揮最大效能，就必須遵守五項重要的電路板佈局原則。

「TPA300x系列的電路板佈局準則」包含上述原則的詳細說明，評估模組則能做為最好的電路板佈局範例。TI還為所有已推出的音訊功率放大器提供完整的評估模組及使用者手冊，其中包含電路板佈局、線路圖和用料清單。

D類放大器的效能測試並不困難，但通常需要使用低通濾波器，因為許多分析儀的輸入並無法精準處理快速變動的PWM輸出訊號。(圖四)顯示如何將頻率產生器連接至D類音訊功率放大器，以及如何在音訊功率放大器與分析儀之間連接低通RC濾波器。

《圖四　差動輸入—BTL輸出量測電路》

截止頻率設在20Hz到20kHz的音訊頻帶之上，使得低通RC濾波器對於量測準確性的影響很小。若採用(表一)的RFILT與CFILT建議值，則截止頻率為34kHz。

《表一　典型的RC量測濾波器值》

為了獲得準確的效率量測值，RFILT每次都必須增加10倍，以便減少分流至濾波器的電流大小；CFILT每次也要減少10倍，確保截止頻率不會改變。

遵循以下五項規則，將有助於獲得準確的測試結果。

結論

D類技術為需要音訊功能的平面顯示器帶來最好的音訊功率放大器解決方案，這種放大器的高效率工作能力可將熱量減至最少，使其不再需要散熱片；它還能降低總功耗，協助減少變壓器和穩壓器的體積與成本。（作者任職於德州儀器）