模擬功率放大器的發展一直側重於提高保真度，同時提公升放大器能效。根據工作點或偏置點以及導通時輸入訊號週期的百分比，放大器可分為 a、b、ab 或 c 類放大器(圖 1)。
a 類放大器(左上)在輸入訊號的整個週期內導通。其偏置點位於輸入-輸出工作特性的中點。訊號保真度出色，但由於放大器始終處於開啟狀態，即使沒有輸入訊號，能效也通常較低。
b 類(左下)放大器旨在通過在截止頻率下偏置放大器來提高能效。放大器僅導通半個輸入週期。通常，電路配置為推挽拓撲，以放大正輸入和負輸入轉換。在沒有訊號的情況下，放大器不會導通，從而提高了能效。由於在輸入極性的轉換點處可能發生交越失真，從而造成保真度損失，因此會抵消這一優勢。
若要解決交越失真問題，可以稍微向上移動放大器的偏置點。這樣就產生了 ab 類放大器(右上)。此類放大器通常也用於推挽式配置。ab 類放大器是音訊電源應用中最常見的型別。
c 類放大器(右下)設計用於在輸入週期的很小一部分上導通。它的特點是能效高，但保真度差。這些放大器適用於射頻功率設計，其中輸出負載是諧振電路，可恢復正確的波形。
有關提高這些模擬放大器能效的策略主要側重於：將放大器的導通相位降至盡可能最短的持續時間，如 c 類放大器所示。
d 類基礎知識
d 類放大器採用不同的方法，其工作方式與開關模式電源非常相似(圖 2)。
d 類放大器將輸入模擬訊號轉換為脈衝寬度調製 (pwm) 波形。pwm 波形為每個脈衝完全開啟或關閉推挽式 fet 輸出級。當其中乙個 fet 導通時，通過它的電流很高，但其上的電壓非常低，因此僅在導通和關斷狀態之間的短暫轉換期間消耗功率。同樣，當該 fet 關斷時，兩端的電壓很高，但電流接近零。此時，除了狀態轉換之外也沒有功率耗散。
通過將模擬波形應用於比較器的乙個輸入，同時以所需開關頻率將三角波形或斜坡波形應用於另乙個輸入，即可完成模擬波形到 pwm 波形的轉換(圖 3)。上方跡線代表輸入波形，在本例中為 10 千赫茲 (khz) 正弦波，其應用於比較器的乙個輸入。中間跡線是 250 khz 三角波，其應用於比較器的另乙個輸入。比較器輸出是下方跡線中顯示的 pwm 波形。脈衝寬度隨著輸入訊號的幅度而變化。
fet 推挽功率級的輸出也是 pwm 訊號。這適用於簡單的電感器-電容器 (l-c) 低通濾波器，以恢復放大的模擬波形。三角波的頻率必須遠高於低通濾波器的轉折頻率。
pwm 的替代方案是脈衝密度調製 (pdm)。pdm 使用一系列短持續時間的矩形脈衝，脈衝密度會發生變化，與模擬輸入幅度存在函式關係。它使用三角積分調製生成。
d 類放大器的增益受總線電壓的影響。雖然電源抑制比欠佳，但可以通過使用放大器周圍的反饋進行校正。此情形如圖 2 的框圖所示，其中反饋來自濾波器輸入。
d 類放大器的主要優點是能效高達 90% 左右。這遠勝於最接近的模擬競爭對手 ab 類放大器(能效為 50% 至 70%)。
高能效可實現更小的物理尺寸，並且可能無需使用散熱器和冷卻風扇。當應用於可攜式裝置時，更高的能效意味著更長的電池壽命。能效直接隨輸出功率水平而變化，並隨功率下降而下降。
d 類放大器拓撲結構
d 類放大器通常使用兩種拓撲結構，其中較為簡單的結構是圖 4 所示的半橋電路。
全橋拓撲結構稱為橋接式負載 (btl)，其優勢是在供電電壓與半橋配置相同時，可提供更高的輸出功率。半橋的濾波器輸入在正或負電源軌間擺動，而 btl 電路在正負軌之間具有負載，同時使應用到負載的電壓翻倍，從而使功率輸出翻了四倍。btl 操作還允許使用單個單極電源。
無濾波 d 類放大器
借助稱為 ad 調製的傳統 d 類開關系統，占空比可調製矩形波形，使其平均值對應於輸入模擬訊號電壓。btl 輸出相互補充。輸出中沒有明顯的共模開關內容。但是，由於 pwm 開關的平均值緣故，存在共模直流電壓。由於此直流電壓電平應用到負載兩側，因此不會增加其兩端的功率耗散。
在沒有輸入的情況下，放大器以其標稱 pwm 頻率開關，應用於負載的占空比為 50%。這導致負載中有明顯的電流流動和功率耗散。為了提高能效，需要使用 l-c 濾波器將電流降低到「紋波」。由於減少了負載耗散和輸出 fet 的 rds(on) 導通損耗，因此紋波電流越低，能效越高。
一種替代調製方案(通常稱為 bd 或無濾波器調製)使用開關系統來調製輸出訊號差異的占空比，以便使其平均值與輸入模擬訊號匹配。btl 輸出在待機時彼此同相，而不是互補。這導致負載兩端的電壓差為零，從而無需濾波器即可最大程度地降低靜態功耗。bd 調製在其輸出中具有明顯的共模內容。該調製方案依賴於揚聲器的固有電感和人耳的帶通濾波器特性來恢復音訊訊號。
d 類放大器積體電路
texas instruments tpa3116d2dadr 是一款 d 類立體聲放大器，能效 > 90%，支援多路輸出功率配置，其中包括 2 條到 21 伏、4ω btl 負載的 50 瓦通道。該系列中的其他型號支援 2 條到 24 伏、8 ω 的 30 瓦通道，以及 2 條到 15 伏、8 ω 的 15 瓦通道。只有最高功率裝置才需要散熱器。
這些裝置支援高達 1.2 mhz 的開關頻率，可避免 am，以防止干擾。ad 或 bd 調製方案可通過單個輸入控制進行選擇。它包括整合自保護電路，包括過壓、欠壓、過熱、dc 檢測和短路，具有錯誤報告功能。下面使用ti的 tina-ti**工具顯示了典型配置(圖 5)。
該電路使用單個 12 伏電源，輸出功率為 12.5 瓦到 4 ω。虛擬示波器顯示原始數字輸出 (vm3) 以及濾波輸出 (vm1)。
texas instruments tpa3126d2dad 是 tpa3116d2 系列的效能公升級。該器件與舊式 ic 為引腳對引腳相容，並採用專有混合調製方案，將待機電流降低 70%，從而實現了很大改進。該方案降低了低功率水平下的待機電流，從而延長電池壽命。
在設計 d 類放大器時，需要多加留意低功耗操作。如前所述，能效與功率水平成正比，而低功率水平通常意味著能效較低。texas instruments tpa2001d2pwpr 是一款屬於第三代 d 類設計的每通道 1 瓦的立體聲 d 類放大器。它具有更低的電源電流、更低的本底雜訊和更高的能效。由於圍繞 d 類無濾波器調製方案而設計，無需輸出濾波器，從而為設計人員節省部件成本和板空間。它可以使用 5 伏電源提供到 8 ω 的每通道 1 瓦以上的功率。
參考設計可用作評估板 tpa2001d2evm，形成即插即用的 d 類音訊放大器(圖 6)。
該放大器採用 btl 拓撲結構，基本為自足式，僅需少量外部元器件。
總結
對於可攜式和電池供電設計，d 類放大器以小封裝提供低損耗和極高的功率效率。現成的 ic 可以快速方便地應用這些放大器，並且最近的技術進步減少了對濾波器的需求，使它們成本更低和更緊湊。
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