Class D Amplifier 是數位的? 還是類比的?

sjhor

Class A, Class B, Class AB, Class C ....等等都是 Analog power Amplifier!
而 CLass D 則是用 PWM 的 square waveform 推喇吧!!
所以說:
7 R' z2 D) Y& G1 o1 x1 C! @! jClass D Amplifier 是數位的?  還是類比的?

3 r' a2 r1 l: N, |5 X: O  _* g, C請客自說明自己的見解?

sjhor

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為何今日會盛行D類放大器呢？在如此問之前其實應當問過去至今為何AB類會盛行？

　在此我們不再詳述電路的細節運作原理，單就結果特性來說明，A類放大具有最佳的信號傳真性（電壓波形幾乎無失真），但卻相當耗用電能，一般來說電能利用率只有20％∼30％，舉例而言，倘若供應100W電力給A類放大機（擴大機），最後真正輸出到喇叭發聲功率的只有25W，其餘的75W統統是放大系統運作過程中的耗用，而且此一高耗能也會產生高廢熱，需要在放大電晶體上配裝厚高的散熱片來幫助散熱。雖然A類電能利用率差，但信號完整是其可取之處，所以依然用在高檔專業音響中，發燒友為了享受無失真的完美音質，不會太在乎多耗3倍的電能。

9 S4 C. s5 z0 ^　至於B類放大，其電能利用率較高，理想上可至75％，但卻有交越失真的問題，上下波形中有一者會遭部分截斷，而無法全波完整放大，如此若用在音響系統就會有明顯的聲音粗糙變質。至於C類放大比B類更糟，上下兩波形都失真，因此更無法用於傳真性的放大應用中，多半只用在無線通訊的RF射頻系統上。
, Z. h0 q- i# z8 |9 f9 L* x
　既然A類波形佳、用電高，而B類卻是用電佳、波形稍差（介於A類與C類間），因此人們有了截補的想法，同時用上2個B類放大電路，將兩者所剩的完整半波予以合併，以此達到與A類相同的全波效果，此即是所謂的AB類放大（運作電路來自2個B類，呈現效果卻近A類），且用電上依然低於A類，若要同樣實現一個輸出放大達25W的系統，A類整體需要100W，AB類約只要66W，如此連散熱片的體積也可以因此精簡。今日絕大多數的消費性音響及視聽設備都是用AB類。

4 G, M- y; P( s3 G0 tD類放大：爭取更高的體積與用電效益
6 E; I' H9 p9 q& X2 B
, K$ e! u" L7 ?　很明顯的，AB類是兼顧用電（也包含散熱、體積）要求及音質要求的妥協性設計，而本文所要談論的D類也是如此，只是這次更加偏重在電路體積與電能利用率。

, b7 C0 F; d# Q  R# V' f　在此我們要稍微詳細地說明D類放大的原理，與ABC三類不同的，D類不是利用功率電晶體的線性工作區間特性來放大，不是用類比原理來放大，而是用上電壓比較、脈寬調變等技術來放大，也因此有人
) g5 A9 d/ G5 Y0 V% ]4 _4 S+ M; N稱D類放大為數位式功率放大或數位功放。
6 e5 X' R& l% f: _% {! ?1 y
" [% {# V$ s/ ?) A) y7 P1 b0 T　首先，D類放大會將原始的類比信號波形，與比它更高頻率的三角波（或鋸齒波）進行電壓比較（透過電壓比較器），如此便可將以振幅高低性表示的信號調變成以脈波寬窄性表示的信號，此即是脈寬調變（Pulse Width Modulation；PWM），之後將PWM信號輸出到MOSFET場效電晶體上的閘極，以控制電晶體的導通、關閉，同時也在這個階段進行信號功率放大，最後MOSFET的輸出端連接LC（電感、電容）低通濾波電路，將PWM的載波濾除，使原始信號波形重新呈現。

9 Q* k6 Y9 K* Y6 C; U. q: R　瞭解原理後，再進一步去瞭解D類方式所呈現的優缺點，缺點是以調變程序所形成的放大必然與原始信號有些出入，但在一般消費性的音樂播放上依然可被接受，相對的D類放大提供了更多的益處，主要是極高的電能利用率，純理論上是100％運用，實務上也經常在80％、90％的層級，比AB類更佳，也因此可再降低散熱片的倚賴性，甚至在低功率時可完全將散熱片捨棄。此外連同其相關組件所需佔用的電路面積、體積，以及電路簡易性等，亦都是D類較優異。

　更簡單說，D類與AB類一樣是妥協性的設計，在仍不錯的音質下進行大幅的用電、體積精省，這正是今日掌上型、行動式、手持式裝置所最鍾意的特質，現在絕大多數的手機、數位隨身聽、口袋電視、PDA、PMP等，其音效部分都採行D類放大器。
至此各位可能會說：我沒有設計手持裝置，不需要講究用電及電路體積，所以依然可用AB類放大器。但其實非行動運用也逐漸有採行D類放大器的趨勢，過去傳統類比映像管電視有很大的體積，其機內仍有寬裕空間可設計音效電路，散熱及用電也與映像管系統一併考慮，然而如今數位平面液晶電視、平面喇叭盛行，力求短小輕薄與低用電，這時就難以堅持續用AB類放大器，一樣需要考慮用D類放大器。

　同樣的，車內音響及車用娛樂系統也是如此，車用電瓶的電力雖多於掌上型裝置的電池，但畢竟少於家用供電插座，加上車體與內裝空間的限制，一樣有用電與體積的精省壓力，這時也會考慮用D類放大器。

　事實上市場也是如此發展，最迫切需要D類放大器的是手持裝置，因此初期的D類放大器皆屬低功率，即1W∼3W的數瓦層級，之後開始有中功率（10W∼30W的數十瓦層級）的出現，而今更是達100W∼200W的高功率，D類放大器正日漸普遍，不再只是行動設計需要，日益講究省電、短小輕薄的消費性產品都有需求。
, t: J5 y' @8 X; N, P9 `
原文PDF如下:
$ F; N4 n2 `7 Y/ G& ^5 ]

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DennyT

"首先，D類放大會將原始的類比信號波形，與比它更高頻率的三角波（或鋸齒波）進行電壓比較"
3 ^2 m2 ]" f. C9 V. z
這個"首先"就可以搞死一堆人了, 20KHz的triangle, Amplitude要準, 否則input analog wave的amp也會失真甚至被choping,
20KHz也要準, 要不就男聲變女聲, 小孩變大人了.
7 a! k! H  P# b, _/ Y3 E' b  I
Output的H-bridge也有地雷, 效率, Ron Temp drift都是問題..., 如果是filter-less的tri-level or multi-level output就更難了,
& ~. |2 M" N5 W( J! ]* K$ z: kTriangle wave source變成differential且要完美的接在common voltage (否則就交越失真了), 想了就頭痛...

tommywgt

Class-D訊號處理方式來是數位, 但是信號是類比的
! R2 s, x7 X  y另外analog in跟IIS輸入的依輸入方式不同而處理電路也完全不同
當然, IIS輸入的class-D AMP有較高的snr

sjhor

台灣工銀 2006年1月的 Class D amplifier 市場調查報告
" o9 W3 U1 o/ t" x+ Y8 }
7 ~7 z1 U* d* E$ s, K8 N市調機構Forward Concepts Inc 預測Class D 音效放大器產業產值2003年為0.84億美金，2008年則可達8.23億美金，2004-2008年期間CAGR高達60%。另外IMS的預測雖然相對保守，同期間的CAGR亦達25%，相對於同期間的半導體產業產值CAGR: 9.8%，類比IC產業產值CAGR: 10.4%，顯然Class- D 音效放大器產業的未來成長性頗佳，而平面顯示器與電視的採用穿透率為Class D市場起飛關鍵要素。
  h! Z+ n2 M: E* }$ b9 o# {" ?
原文PDF如下:
5 p* Z' s+ M, {1 t8 T6 J+ s& `
2 s. K) |6 O8 u: @: {[ 本帖最後由 sjhor 於 2007-4-16 05:59 PM 編輯 ]

DennyT

有IIS (I2S) input port的Class D應該是已經包了Audio DAC, 要不就是DSP已經把Audio stream直接
7 z9 r, p/ v0 |# {# R: j7 x換成PWM code了, 這當然可以"躲過" ideal triangle source的魔咒, 不過還是逃不了filter-less H-bridge
" K' J6 g! b5 I" Z4 n3 O2 n9 I0 Y的勾勾纏. 另外, 只支援IIS的class-D好賣嗎???

sjhor

D類放大器輸出脈衝寬度調變 (Pulse-Width Modulated，PWM) 訊號，而不是AB類放大器常見的線性訊號，PWM訊號中包含音頻訊號以及PWM開關訊號和諧波。D類放大器遠比AB類放大器更有效率，因為輸出MOSFET會從極高阻抗切換至極低阻抗，在工作區 (active region) 的時間只有數奈秒。利用這項技術，輸出級的功耗將降至極小；除此之外，LC濾波器或喇叭的電感性零件還會在每個週期中儲存能量，確保開關功率不會在喇叭中耗損。

原文 pdf  如下: 若有版權爭議時  請版主刪除

sjhor

雖然D 類音訊放大器的技術已經非常成熟，但是在這個領域，目前亞太地區扣除日商之外，包含台灣、韓國、
中國大陸在內的設計公司，幾乎都還沒有看到成功切入市場的案例，問題又在哪裡？

: ~# r6 Q) h7 c0 C雖然D 類音訊放大器有著高效率、低功耗的優勢，但是由於D 類音訊放大器脫胎自交換式電源架構，因此與絕
大多數的交換式電源管理元件一樣有EMI 困擾。半導體供應商如果要在原本使用線性放大器的市場上推廣D 類
# o! l5 h; [6 x音訊放大器，勢必得協助客戶解決EMI 的問題。
" Q3 g# a1 S" o5 W) F( r

0 m6 ]1 O$ g8 h- r( P9 {+ n原文 pdf  如下: 若有版權爭議時  請版主刪除

sjhor

原帖由 tommywgt 於 2007-3-27 10:16 AM 發表
  R7 L2 [7 W( Q9 y- U( sClass-D訊號處理方式來是數位, 但是信號是類比的
+ p! @' A  p3 l另外analog in跟IIS輸入的依輸入方式不同而處理電路也完全不同
: f6 m8 p% b3 E+ a; C當然, IIS輸入的class-D AMP有較高的snr

非常感謝你的回覆!
% }! X$ }3 f! M* ^* F- k若有其他的資料  可否貢獻一下!
* _1 H8 ~2 f% z讓這個資料更豐富  更有可看性!

7 d! a) K0 Y8 |2 a# `當然  其他人  有不同的資料與訊息  也請多多的分享

[ 本帖最後由 sjhor 於 2007-4-2 03:52 PM 編輯 ]

sjhor

這是一篇英文
! A4 s6 O0 b$ w; x他將 Class D amplifier 用簡單的方式推導
感覺還不錯  所以抓來給大家分享:
' a$ N: P+ w) {2 s( c& Y7 S. I, R  X當然還是那句老話:
/ W6 {# l- g5 Y1 y  w$ D' ]取之於網路，所以若有版權問題時，請版主砍掉

. S3 i1 w8 i. Z/ E( j4 r

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cpkao

類比和數位都有人做
類比的做法基本上就是拿訊號和一個三角波或者鋸齒波比大小
) b* Z, {, I6 n+ @3 n% \5 X9 `難度在於三角波頻率及振幅要固定(除非做成閉路結構), 還有要小心雜訊
9 Q  r1 _0 {! G7 D# L2 P8 Y* c% b因為三角波一般是由積分產生, 所以雜訊也被積分, 相當於三角波有jitter

數位的做法就是根據訊號把時間量化(ADC 是量化振幅)
最簡單的方法就是利用delta-sigma, 把比較器的結果再處理成時間的量化
難度在於時間事實上是連續的(如類比), 所以除非能有無窮多的bits, 不然1%的失真度就很厲害了
一般都是要做pre-distortion
+ g8 N+ l4 e/ B; d* [8 K/ E
個人認為最難的還是專利, 尤其是TI及national在D類放大器上有許多專利
只要一接上電阻(不接濾波器)讀輸出波型就可以知道有沒有侵犯專利　

sjs1

D amplifier, 諧波多, PWM方式 ,重效率, 聲音聽起來, 還是差很多, 如果你去聽真空管的 .

mingyen

請教前輩, 就量測的觀點來看, Class D Amp 的量測與傳統 AB 類的量測方式有何不同?
- {% l9 @" K! T/ E4 G0 v以 PWM 方式產生的訊號, 勢必會有著極大的高頻雜訊, 這是否是影響聆聽效果的關鍵?
若是的話, 有什麼方式可以改善? 如調高取樣頻率...

sjhor

你可以看下列的文章  應該對你有幫助才對!
' s0 q% U6 c% [- {$ G5 D& U3 A+ r
1. http://www.chip123.com/phpBB/vie ... &extra=page%3D7
  v1 q( j# j, H5 t) y2 x/ I  f2. http://www.chip123.com/phpBB/vie ... &extra=page%3D6

[ 本帖最後由 sjhor 於 2007-5-31 12:06 PM 編輯 ]

mingyen

看了這篇文章, 想自己做個 class-D Amp 的實驗, 發現 TI 目前有個 soluction, 想自己玩看看...
但問了許多電料行, 好像都沒賣這顆 IC, 不知是否有人知道: 什麼地方可以買到?
% _% ~" f0 m* z/ @TAS5132: Stereo 20W Powerstage.
) Y# |( s, P5 l8 M) ]: @& yhttp://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tas5132.html

awei9977

我記的曾有文章提到  CLASS D 有很多PATENT 的問題
所以也是一個少數幾家在做 CLASSＤ　的原因之ㄧ

henrylai

我覺得patent 多少不是問題,應該是有沒有訴訟的先例.

masonchung

henrylai 大大
聽起來你們公司好像很注重專利喔~

jiming

全球功率半導體和管理方案領導廠商 – 國際整流器公司 (International Rectifier，簡稱IR) 推出D類音頻功率放大器參考設計IRAUDAMP4。與典型的線路設計相比，新型的參考設計讓設計人員為適用於家庭影院應用、專業揚聲器、樂器和汽車娛樂系統的所有屬中壓範圍的中及高功率放大器，節省百分之五十的PCB板佔位面積。

IR台灣分公司總經理朱文義表示：「藉著在60瓦特、4歐姆底下提供0.004%的THD+N，這種參考設計顯示出IR先進的矽技術讓用戶可由D類拓樸獲得最佳的音頻效能。」

  ?  `0 V! k  b& g! K8 g' _/ b與IR的200伏數位音頻驅動IC IRS20955和IRF6645 DirectFET數位音頻MOSFET配合使用的IRAUDAMP4參考設計，屬於2通道、120瓦特半橋設計，在120瓦特、4歐姆下達致96%的效率。有關設計也結合了多種關鍵保護功能，包括過電流保護、過電壓保護、欠壓保護、直流電保流、過熱保護等。新設計亦提供管家功能，例如為前置放大器的模擬訊號處理而設的+/- 5伏供應，以D類閘驅動階段的 -B作參考的12伏供應 (Vcc)。這個2通道設計可按功率及通道的數目擴展，並能在一般運作情況下無需使用散熱器。

新參考設計基於的IRS20955(S)(TR)PbF音頻驅動IC設計，備有特別為D類音頻放大器應用而設的浮動PWM輸入。其雙向的電流感應可在無需外置分流電阻的情況下，於正及負負載電流中偵測過電流狀況。內置的保護控制模塊提供可編程重設計時器，以及安全的保護程序，防止過電流發生。內置的空載時間建立模塊則有助設定準確的閘開關和最佳的空載時間設計，提供更佳的音頻效能，例如較低的總和諧失真 (THD) ，以及較低的音頻底噪。

5 I0 M, W6 t0 {8 {6 N配合新參考設計使用的IRF6645功率MOSFET，為IR旗下DirectFET系列的成員。創新的DirectFET封裝技術透過減少引線電感提升開關效能，並降低EMI噪音，從而增強D類音頻放大器線路的效能。其較高的熱效率有助實現在4歐姆阻抗下的120瓦特運行，加上無需使用散熱器，所以不僅能縮小電路尺寸，更在設計線路布局方面提供更大的靈活性，以及能降低整體放大器系統成本。

jychen

對於這個問題,我ㄧ開始也以為是數位的, 但是很多文章和文獻都說是類比的.
我是做數位的人, 到現在還是很難想像.

( _0 y8 e7 ~, t) b+ B7 E6 i' n- h附件中有說明, 認為class D是數位是不對的, 參考看看囉.
/ w! j& I$ q9 l$ x
0 c3 e+ J$ D4 H4 n! O6 X% R) U) X

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