常見問題解答的第1部分提供了關(guān)于D類放大器的概論,并回答了如何進(jìn)行選擇放大器以及D類放大器濾波器的設(shè)計(jì)問題。
????????什么是D類放大器
D類放大器使用了脈沖寬度調(diào)制電路來保持其輸出晶體管工作在全開或全關(guān)狀態(tài)。換句話說,在任何時(shí)候,瞬時(shí)輸出電壓要么是一個(gè)供電電壓,要么是另一個(gè),當(dāng)然這里忽略了在切換時(shí)的短暫過渡期。因此,輸出電流從設(shè)備中沒有明顯電壓下降而傳導(dǎo)出來。
歐姆定律指出,功率等于電壓乘以電流。D類放大器將這一等式中的電壓部分保持近似為零,因此盡可能的避免了輸出階段的消耗功率。D類放大器比其他技術(shù)有著更好的優(yōu)勢,該類放大器的典型效率最高可達(dá)95%,平均效率也在80%的水平。D類放大器可以切換的頻率高于音頻帶。大部分的D類放大器的切換頻率為300K赫茲到2M赫茲。
為什么要使用D類放大器
因?yàn)镈類放大器非常有效,充分利用了來自電池以及其他功率受限源的有限功率。此外,這種較高效率消除了很多放大器在低于10瓦輸出功率時(shí)的散熱要求。D類放大器并沒有對(duì)其他鄰近的元件以及其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成散熱影響,從而降低了環(huán)境的溫度。另外,D類放大器的熱效率使其可使用標(biāo)準(zhǔn)的IC封裝,無需特別考慮散熱問題。
何時(shí)使用D類放大器?
使用D類放大器并不適用于所有應(yīng)用的最重要原因是輸出的切換會(huì)造成電磁干擾。很多應(yīng)用場合中,這種電磁干擾是可以容忍的,因此可認(rèn)為這些設(shè)備滿足了電磁兼容的認(rèn)證,但設(shè)計(jì)師不選用D類放大器還有另外一些考慮。
D類放大器第二個(gè)要考慮的是他們的聲音質(zhì)量一般不如AB類放大器以及其他技術(shù)的好。盡管在紙面上比較這兩種拓?fù)淇赡軙?huì)導(dǎo)致這個(gè)結(jié)論,在一些終極的應(yīng)用中,這往往不再是一個(gè)問題,因?yàn)閾P(yáng)聲器的失真是系統(tǒng)失真的主要因素。
什么是半橋/單端D類放大器
半橋D類放大器每個(gè)通道都有一個(gè)輸出。在半橋模式下(單端輸出放大器同理)揚(yáng)聲器連接著雙供電系統(tǒng)中的單個(gè)輸出并接地。在單供電系統(tǒng)中,一個(gè)較大的電容用來阻止VCC/2直流電壓通過揚(yáng)聲器的負(fù)載而出現(xiàn)。這個(gè)電容一般是幾百微發(fā)或者更多,這取決于系統(tǒng)的低音要求和揚(yáng)聲器額阻抗。
什么是全橋/差分D類放大器
半橋放大器對(duì)于那些對(duì)稱的雙供電系統(tǒng)是非常好的。所需的直流阻止電容的成本及尺寸使得他們?cè)趩喂╇娤到y(tǒng)并不適用。
全橋D類放大器每個(gè)通道有兩個(gè)輸出。全橋放大器又被稱作橋接負(fù)載(BTL)放大器或差分放大器。在全橋模式下,揚(yáng)聲器連接著兩個(gè)輸出端。D類放大器的輸出偏置很低,因此無需隔直電容。
全橋放大器提供了尺寸最小的系統(tǒng)解決方案,也是D類放大器拓?fù)渲凶畛R姷摹?/p>
是D類放大器還是“數(shù)字”放大器
在很多情況下,D類放大器不是數(shù)字放大器。這主要有幾個(gè)理由。在一個(gè)基本的開環(huán)數(shù)字D類放大器中,放大器的功率供應(yīng)抑制幾乎為零。實(shí)際上,功率供應(yīng)的幅度是用來音量控制的。純數(shù)字放大器的另一個(gè)問題是在輸出延遲、傳輸時(shí)間以及過沖的不匹配。這些綜合起來就會(huì)產(chǎn)生輸出的非線性現(xiàn)象,從而產(chǎn)生諧波失真。
幸運(yùn)的是,模擬方法可以減輕上面的缺點(diǎn)。D類放大器的絕大多數(shù)使用了模擬域的全局反饋和糾錯(cuò)技術(shù)。這使得THD+N范圍為0.01%,超過08dB的PSRR是常見的。
一些D類放大器是真正意義上的數(shù)字放大器。專用的數(shù)字電路彌補(bǔ)了輸出限制的非線性。真正意義上的D類放大器實(shí)際上只占D類放大器芯片的一小部分。
半橋D類放大器相比于全橋放大器,有哪些優(yōu)勢?
半橋D類放大器使用更小的芯片,來得到同樣數(shù)量級(jí)的功率,從而使得相對(duì)于真?zhèn)€芯片的成本而言,每瓦的成本最低。半橋設(shè)備在單供電系統(tǒng)中需要一個(gè)隔直電容,因而會(huì)抵消整個(gè)成本上的優(yōu)勢,另外還使得整個(gè)解決方法的尺寸變大。
在有很多大LED背光供電的應(yīng)用中,如24V,使用半橋放大器會(huì)得到更好的性價(jià)比,對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載為8Ω,每個(gè)輸出通道獲取8瓦-10瓦。
其他類型的放大器有哪些?
普遍采用的音頻放大器有:
* A類
* B類
* AB類
* D類
* G類
* H類
通過搜索網(wǎng)頁,讀者可以得到這些類型放大器的描述。一些芯片制造商已經(jīng)添加了“新型”類型來描述他們的D類的特殊類。有辨析能力的設(shè)計(jì)師將會(huì)看到這些器件的優(yōu)點(diǎn),而不會(huì)被最新的營銷描述所迷惑。
D類的耳機(jī)放大器怎么樣?
D類耳機(jī)放大器已經(jīng)應(yīng)有了很多年。它們的應(yīng)用主要是圍繞耳機(jī)本身的特點(diǎn)。D類放大器的較低的電磁干擾性能要求工程師控制導(dǎo)線的長度、導(dǎo)線的類型以及揚(yáng)聲器的負(fù)載阻抗。當(dāng)用戶將任何一個(gè)耳機(jī)連接到標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)插孔上,所有這些控制都是徒勞的。實(shí)際上,耳機(jī)線本身是一個(gè)很好的天線,很多便攜式設(shè)備都用它作為調(diào)頻接收天線。
在一個(gè)自供電耳機(jī)中,這并沒有什么問題。很多藍(lán)牙耳機(jī)有全橋D類放大器來提供最佳的電池使用周期。在這樣的系統(tǒng)中,耳機(jī)線會(huì)很短,負(fù)載阻抗也是已知的。
D類放大器可以工作在鋰電池上嗎?
用于便攜式設(shè)備的D類放大器的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3V到4.2V,因此對(duì)于使用鋰電池或鋰聚合物電池十分理想。在這樣的供電范圍內(nèi),可用的功率隨著電池電壓變化而變化。例如,當(dāng)負(fù)載為8Ω時(shí),供電電壓為3V就意味著功率為500mW,而電壓變?yōu)?.2V時(shí)功率為1.1W。實(shí)際性能依賴于D類放大器。
如何在較大的供電范圍內(nèi)獲取穩(wěn)定的輸出功率?
D類放大器的高效率使其成為升壓供電系統(tǒng)的理想之選。一些負(fù)載為8Ω的應(yīng)用需要輸出功率為1W,而不考慮電池電壓情況。在這樣的系統(tǒng)中,使用D類放大器可以滿足這樣性能要求。
一些D類放大器有升壓轉(zhuǎn)換裝置,如LM48510。這就為放大器提供了一個(gè)開關(guān)模式的電源供應(yīng),因此當(dāng)電壓超過5.5V時(shí),D類放大器仍可以工作。這種方法的另一個(gè)好處是升壓可以用作LED閃光燈或照明。
什么是無濾波式D類放大器
無濾波式D類放大器具有自適應(yīng)輸出調(diào)制功能,因此塔可用于直接連接揚(yáng)聲器,中間無需濾波器。無濾波式D類放大器可用在那些耳機(jī)線小于10cm的應(yīng)用中。
如果是非無濾波式D類放大器,那么推薦使用一個(gè)濾波器。脈寬調(diào)制(PWM)波形會(huì)在揚(yáng)聲器的音圈中造成較高的I2R失真,進(jìn)而減小了電池的壽命,并可能會(huì)破壞揚(yáng)聲器。
為什么我的無濾波式D類放大器中還有濾波器?
很多無濾波式D類放大器,如LM4675,在其演示板上依然包含了一個(gè)濾波器。這個(gè)濾波器是為了允許用戶通過典型的示波器和音頻分析儀來測試那個(gè)其D類放大器的性能。PWM波形比聲音信號(hào)本身好強(qiáng)的多,因此可以驅(qū)動(dòng)這些測試儀器的輸入。該濾波器的出現(xiàn)允許使用標(biāo)準(zhǔn)的測試設(shè)備來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。
我是否需要一個(gè)濾波器用在D類放大器上?
在連接線較短的應(yīng)用中,這個(gè)問題的回答是:不需要。一些D類放大器使用了擴(kuò)頻時(shí)鐘來減小RF能量出現(xiàn)在輸出上。邊緣速率受限的電路減小了實(shí)際的RF能量滲到輸出端。將擴(kuò)頻和邊緣速率受限結(jié)合起來,例如LM48310,就可以實(shí)現(xiàn)最佳的電磁兼容認(rèn)證,而無需輸出濾波器。
如何為D類放大器設(shè)計(jì)濾波器?
L = (0.225 * RL) / fC
C= 0.113 / (RL * fC)
用于D類放大器的低通濾波器可以使用同一公式和(或)同樣的軟件,如揚(yáng)聲器天橋。在絕大多數(shù)應(yīng)用中,二階巴特沃斯傳遞函數(shù)會(huì)提供最佳組合性能,包括敏感度及成本。對(duì)于單端放大器而言,該公式可表示為:
L = (0.225 * RL) / fC
C= 0.113 / (RL * fC)
其中RL為揚(yáng)聲器的阻抗,fC為理想的截止頻率,L和C分別為該濾波器的電感和電容。例如,當(dāng)負(fù)載阻抗為8Ω和理想截止頻率為30kHz時(shí),電感值為60μH,電容值為0.47μF。
不幸的是,60μH是一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的值,因此我們需要增加該值成為標(biāo)準(zhǔn)的68μH。通過逆推電感方程,可得新的截止頻率為26.5kHz,因此我們會(huì)獲得新的電容值為0.53μF,這可以通過將0.47μF的電容和6800pF的電容并聯(lián)而近似得到。。
L1 = L2 = (0.113 * RL) / fC
CTOT = 0.225 / (RL * fC)
對(duì)于全橋D類放大器,上述公式可修改稱如下所示:
L1 = L2 = (0.113 * RL) / fC
CTOT = 0.225 / (RL * fC)
CTOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1)
其中L1和L2是兩個(gè)所需的電感,CTOT是總的負(fù)載電容。全橋D類放大器的負(fù)載電容通常可通過下列公式得到
CTOT = CS1 + CS2 + (2 * CD1)
其中CS1和CS2分別是接地的并聯(lián)電容,CD1是微分電容。例如,對(duì)于負(fù)載阻抗為8Ω和理想截止頻率為30kHz時(shí),電感為30μH,而電容為0.934μF。
不幸的是,30μH是非理想的值,因此需要修改該值成標(biāo)準(zhǔn)的33μH,從而需要逆推電感公式得到新的截止頻率為27.4kHz,進(jìn)而新的電容為1.03μF。可以將設(shè)置CD1=0.47μF,CS1=0.047μF,CS2=0.047μF來得到所需的CTOT。
這種分離濾波器電容方法的最大好處在于,這樣可以得到很好的電磁兼容性能和良好的音頻性能。CD1值越大,越能提高音頻頻段的濾波性能;CS1和CS2越小,越能使能減小電磁兼容測試時(shí)的高頻干擾。
即將推出的第二部分:佐貝爾(Zobel)電路,D類放大器的測試與測量,PCB布局和接地問題。
在問與答的第二部分內(nèi)容里,主要考慮佐貝爾電路、D 類放大器的測試與測量,以及PCB布局和接地相關(guān)問題。佐貝爾電路是什么?佐貝爾是阻抗匹配電路,常用于擴(kuò)音器中。佐貝爾電路又稱為Boucherot 單元,或者有時(shí)被不恰當(dāng)?shù)姆Q為RC 串聯(lián)電路(RC snubber)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)音器的阻抗不是固定的,在音頻段的高端會(huì)明顯變大。為了使D 類放大器按照設(shè)計(jì)那樣工作,這種增加的阻抗需要在設(shè)計(jì)中予以考慮。一種最簡單的補(bǔ)償方法就是使用佐貝爾電路,即一個(gè)簡單的電阻和電容串聯(lián)連接到擴(kuò)音器的終端。盡管佐貝爾電路元件的選擇依賴于很多因素,下面的公式給予很好的解決:
RZ = RL
CZ = 1 / (2 * π * fC * RL)
其中RZ 是佐貝爾電路的電阻阻值,而CZ 表示為佐貝爾電路的電容,RL 是擴(kuò)音器的阻抗,fC 是所需的截止頻率。對(duì)于一個(gè)27.4kHz 的全橋設(shè)計(jì)例子,CZ 通常取值為0.73 μF。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用,電容值可以取0.47 μF 或1 μF,因?yàn)檫@并不是非常敏感的參數(shù)。圖3為佐貝爾電路的示意圖。
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是否可以使用磁珠來代替LC 濾波器?
在很多應(yīng)用中,D 類放大器可與磁珠一道用于連接分流或差分負(fù)載電容的濾波。一個(gè)潛在的問題是,在開關(guān)頻率時(shí),磁珠幾乎出現(xiàn)短路,他們的阻抗在1MHz 以上便會(huì)增大,在100MHz 附近便會(huì)出現(xiàn)峰值。因?yàn)樵贒 類放大器的開關(guān)頻率下,阻抗都是很低的,磁珠在輸出過渡期會(huì)增加其峰值電流,從而不僅沒有改善電磁干擾反而是加劇這種干擾程度。用于D 類放大器的磁珠過濾器是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及輻射測量推導(dǎo)出來的。一般而言,對(duì)于額定輸入到負(fù)載阻抗的音頻信號(hào)的峰值,100_ 或者更高的磁珠是較好的選擇起點(diǎn)。例如,如果D 類放大器工作電壓為5V,負(fù)載為4_,那么需要選擇峰值電流至少為1.25-A 的磁珠。磁珠通常通過一對(duì)并聯(lián)的電容接地。同樣,這兩個(gè)電容的電容值也需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定,不過100pF 會(huì)是一個(gè)很好的選擇點(diǎn)。與D類放大器一道工作的磁珠過濾器示意圖如圖4 所示。
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在D 類放大器中是否需要雙電感?
雙電感有一對(duì)密切耦合的同樣圓心的線圈。雙繞組電容只用于D 類放大器,而且不需要特別的輸出調(diào)制。換句話說,只有傳統(tǒng)的“教科書”D 類調(diào)制可以接受,即兩個(gè)全橋輸出當(dāng)沒有音頻信號(hào)時(shí)將偏離相位180 度。任何“無過濾性”的D 類放大器都無需配合使用雙重繞組電感。
這里有一些專門用于D 類放大器的雙電感,其廠商包括:
· Sagami
· Korea Coil Engineering
· FDK
· Toko
這些特定的雙繞組應(yīng)用,其特點(diǎn)是兩個(gè)線圈的較低的互耦合。
是否需要為D 類放大器使用共模阻塞一些D 類放大器調(diào)制方案允許使用共模阻塞。共模阻塞意味著一條連接差分信號(hào)的低阻抗通道和一條通往其他任何共模信號(hào)的高阻抗通道。用在連接小的容性負(fù)載時(shí),共模阻塞比電感有著更高的性價(jià)比,但比普通式磁珠要貴一些。共模阻塞用在D 類放大器的正常運(yùn)作是可以觀察到的。主要的驗(yàn)證參數(shù)是電磁干擾,還可以檢查靜態(tài)電流和THD+N 作為輸出功率的函數(shù)。D 類放大器與共模阻塞不兼容的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流和/或THD+N 的性能退化。
是否需要在D 類過濾器中使用差分電容或單端連接很多已有的D 類放大器使用了單個(gè)差分電容,而其他的僅僅使用了一對(duì)并聯(lián)電容。大多數(shù)情況下,單端差分電容將提供更好的音頻性能,而并聯(lián)電容會(huì)提供更好的抗電磁干擾性能。最好的解決方案是同時(shí)使用差分和并聯(lián)電容,其中差分電容的值比并聯(lián)的更大些。
一般而言,低容值的電容可以在更高的頻率下表現(xiàn)得更好。
測試與測量問題
為什么在示波器中看不到正弦波形?
關(guān)于D 類放大器的一個(gè)共同的客戶問題是示波器的觀察。工程師習(xí)慣于在輸出端看到一個(gè)正弦波,同樣他們也認(rèn)為放大器也是正弦振蕩的。實(shí)際上,放大器確實(shí)是被設(shè)計(jì)為振蕩的。外加串聯(lián)的1-kΩ 電阻與并聯(lián)的4700-pF 電容接地,通常會(huì)充分抑制開關(guān)頻率,從而可以在示波器上看到音頻信號(hào)。如需要更為精確的測量,需要使用有源濾波器或更高階的LC 梯形過濾電路。
如何測量D 類放大器?
D 類放大器的較高的開關(guān)頻率PWM 輸出會(huì)超載大多數(shù)的音頻分析儀輸入。專門的過濾器,如音頻精密輔助AUX-0025提供了一個(gè)這樣的過濾器來限制頻譜外的能量。除此之外,平衡后的5 階過濾器將與低失真運(yùn)算放大器如LME49740 一起確保準(zhǔn)確的讀數(shù)。圖5 為實(shí)例電路。
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該電路是五階巴特沃斯過濾器,并帶有差分前端和一個(gè)單端輸出。該電路有著歸一化后的增益,并可工作在最高供電電壓為34V 的環(huán)境中。截止頻率為24kHz,電路在300kHz處有一個(gè)理想的108dB 的抑制,盡管實(shí)際上很難能做到這一點(diǎn)。
是否可以使用8Ω 或4Ω 電阻作為測試負(fù)載?
D 類放大器應(yīng)該與一個(gè)負(fù)載一道進(jìn)行測試,該負(fù)載代表了實(shí)際的擴(kuò)音器,并不單單是一個(gè)電阻。如果用的是電阻,測試的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)差與實(shí)際的性能。在大多數(shù)情況下,8Ω的電阻需要再串聯(lián)68-μH 的電感,4Ω 的電阻需要串聯(lián)33μH 的電感。PCB 布局和元件的問題在D 類放大器中,PCB 布局是否重要?
PCB 布局在D 類放大器中是非常重要的,其布局影響到獲取最佳信噪比、最佳熱效率以及最低的電磁干擾。任何一個(gè)該領(lǐng)域的新設(shè)計(jì)師都需要檢查一下已有的設(shè)計(jì)來領(lǐng)會(huì)最佳實(shí)踐方案,同時(shí)還需要學(xué)習(xí)一些研究文獻(xiàn)。
如何對(duì)D 類放大器接地?
正確的對(duì)D 類放大器接地方法仍處在爭論中。一些工程師使用星式接地法,即將零散的接地匯聚成一個(gè)星型的接地點(diǎn),通常D 類放大器的模擬地或電源地采用這種方法。盡管這種方法很容易在帶有單個(gè)芯片的演示板實(shí)現(xiàn),但對(duì)于系統(tǒng)中有很多混合信號(hào)芯片時(shí)則不適用。這些芯片無法成為星式接地,因此需要考慮另一種方法。
基于實(shí)驗(yàn)中與星式接地布局的對(duì)比,單一接地板面顯示出明顯的改善,包括電磁干擾性能、峰值輸出功率和更低的THD+N。在這一例子中,單一接地板面在兩層PCB 板的頂層和底層都注銅。每個(gè)芯片的接地管腳和每個(gè)旁路電容的接地端可以使用該接地板面上任何一個(gè)連接孔。此外,在PCB 開放區(qū)域,連接孔還直接連接著頂層和底層接地板面。通常情況下,連接孔的大小最好為2cm,如果空間允許可以更大一些。與這種單一接地方法相比,部件安置也很重要。高頻率的電流會(huì)選擇阻抗更小的通道,即盡可能的直線連接。因此,PCB 設(shè)計(jì)者將試圖布局這些部件,從而保證電流確實(shí)可以按照這種設(shè)計(jì)的通道流通,而不需經(jīng)過其他通道,尤其是對(duì)敏感的模擬輸入來說。能做到這一點(diǎn)實(shí)際上可以稱之為一種藝術(shù)。此外,對(duì)于那些通過電磁干擾認(rèn)證的系統(tǒng)的研究,也不失為學(xué)習(xí)良好布局技術(shù)的方法。
對(duì)D 類放大器正確的接地是否重要?
接地對(duì)于D 類放大器是非常重要的,尤其是涉及到獲取最佳信噪比、最佳熱效率以及最低的電磁干擾。任何一個(gè)該領(lǐng)域的新設(shè)計(jì)師都需要檢查一下已有的設(shè)計(jì)來領(lǐng)會(huì)最佳實(shí)踐方案,同時(shí)還需要學(xué)習(xí)一些研究文獻(xiàn)。
使用兩個(gè)單聲道D 類放大器還是一個(gè)立體聲設(shè)備?
如前所述,D 類放大器的致命弱點(diǎn)是它們的電磁干擾。一種可能的解決辦法是考慮使用兩個(gè)單聲道放大器來而不是一個(gè)立體聲設(shè)備。這將有助于使每個(gè)D 類放大器對(duì)應(yīng)各自的擴(kuò)音器最小化,并減小輻射區(qū)域。這種方法為筆記本帶來的好處比手機(jī)更加明顯。如果在系統(tǒng)中使用多個(gè)D 類放大器,設(shè)備需要通過一個(gè)共模時(shí)鐘同步信號(hào)來驅(qū)動(dòng),從而確保沒有任何諧振頻率。
哪種電容最適合用作D 類放大器的供電旁路?
陶瓷芯片電容是D 類放大器供電旁路的最佳選擇。他們的低ESP 和出色的高頻特性將增強(qiáng)音頻性能并有助于降低電磁干擾。如果D 類放大器布局在遠(yuǎn)離供電處,需要添加一些額外的散裝電容。添加的電容最好是低ESR 的鋁電解電容,但一般都使用通用性鋁電解電容。一些工程師們將會(huì)用到多個(gè)旁路電容來減小電磁干擾。放置在電源管腳最近的是不超過0.1-μF 的小型旁路電容。更大一點(diǎn)的,如1μF 的電容放在緊挨著的位置。一般的做法都是使兩類電容的容值量級(jí)相差10 倍,以避免形成共振頻段。
做什么有助于確保符合電磁干擾認(rèn)證?
為了滿足符合輻射要求的測試限制,需要設(shè)計(jì)師選用高質(zhì)量、低EMI 的D 類放大器,并通過合適的接地和旁路。此外,根據(jù)擴(kuò)音器線的長度以及最終應(yīng)用的指定頻段,還需要一些輸出濾波。
如何能將單端音頻源連接到差分D 類放大器的輸入?
很多D 類放大器都有差分輸入來減少不需要的噪聲。如果使用的是單端音頻源,最好使用差分方法。將音頻源的輸出和其輸出參考電壓分別引到D 類放大器的差分輸入對(duì)上。
圖6 為該例子的電路示意圖。
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如何能將差分的音頻源連接到單端的D 類放大器輸入?
如果要將差分源連接到單端輸入的D 類放大器,最簡單的方法是僅使用一個(gè)輸出。
或者,在D 類放大器前端增加一個(gè)差分運(yùn)算放大器。
評(píng)論
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