应用要求
    自从上世纪60年代以来，巡回演出音响(touring sound)一直引领着专业音响行业对新技术的开发和应用。通过主要的巡回演出及其音响系统提供商的高度结合，这使得巡回演出成为了扩声技术中各种先进技术的试验场。
    演出必须举行，效率是必不可少的要求，但是，一切都是关于音响。
    对于巡回演出音响运营商来说，稳定且可靠、激情下的冷静、上千瓦的功率、最初成本和长期运营成本，这些因素都是至关重要的；但是，不论在舞台上或是在控制台后面，对于艺术家来说，音响性能是头等大事。随着票价的持续上升，听众的期待也水涨船高。要让人们离开家庭影院或互联网而心甘情愿地买票，越来越需要用一种体验来撬动他们。对于艺术家和音乐行业来说，音乐会门票和商品的收入正变得越来越重要。
    总的保真度要求足够的动态范围、扁平的频率响应、良好的满量程阻尼，当被推动时需要受控和非破坏性的削峰并避免任何种类的过早崩溃。此外，必须考虑因信号处理，包括任何在放大器中的延迟造成的信号同步问题。
    总而言之，音乐会放大器的重量要轻、结构要极其牢固、性能要精密而强劲、品质高而具有成本经济性，最近，人们要求它必须在数字和模拟系统中同样能工作。
    进一步的考虑
    租赁公司需要灵活性。设备只有租出去才能赚钱。一件设备能做的事情越多，它在仓库中呆的时间就越短。因此，能够在桥接单声道中驱动超重低音扩音器、12英寸或15英寸立体声低音用扩音器、双放大落地式及甚至高频驱动器，就是比保罗西蒙专辑《One Trick Pony》更好的投资。
    兼容性也是关键的因素。许多音响系统对所有的频段都采用一个类型的放大器。这就可能需要可调节的灵敏度，以根据其指定的任务而最优化放大器。其它的系统则针对不同的频段采用不同的功率电平。当升级一个系统时，这种音响系统的拥有者和操作者可能在某一时间喜欢换一个频段，因此，需要一个新的放大器来让系统的其余部分很好地工作。
    在设备的各个部分准备就绪之前，要全面进行测试的因素包括：信号延迟、对数字处理器的适应性、遥控监测和控制、危险和事故全面保护、抗射频干扰、机架深度、足够的机械强度、充分的制冷等等。
    人们越来越多地要求固定安装的系统能够提供音乐会品质的音响性能。实际上，许多固定安装的系统和音乐会系统的主要差异在于：前者的放大器机架缺乏角轮。
    对下一代便携式实况转播音响功率放大的要求
    新型功率放大器的设计工程师所面临的挑战包括：
    缩小尺寸和减轻重量。
    提高输出功率。低频放大器的每一个8欧驱动器应该提供1000-1500瓦的功率，以完全发挥最新的锥形驱动器的性能。这需要把每通道至少400瓦的额定功率输入到2欧的负载之中。
    要避免信号延迟。要尽可能地保持精确和可调节的相位校正；这也是与现有的绝大多数放大器后向兼容所必需的。
    提供合理的调节和指示器。让操作员不必采用专用设备就能把放大器快速安装到不同的系统架构之中。
    PFC与固定电压电源的比较
    上面没有介绍的一个功能是功率因素校正(PFC)。在典型的有源PFC电路中，一个升压转换器被插入到标准的开关模式电源之前，对其输入进行预先调整，与此同时，最优化从交流电源上吸取的功率。如果定义足够好的话，这可能还容许电源在宽的交流电压范围内工作。
    不幸的是，这种方法需要额外的半导体开关和控制电子电路，而附加的电路也会降低电源的整体效率。然而，在全球运输功率放大器的做法越来越少见。在大型音乐会的举办地，通常都有可接受的配套索具。此外，巡回放大器并不是直接连接到墙壁插座的，而是连接到交流配电系统，由它为功率放大器机架提供正确的电压。底线是PFC能够理论上降低峰值交流电流的要求，但是，我们可以更大的可靠性做到这一点，并通过完全改善整体效率而进一步降低成本。
    应该采用哪一类放大器？
    显然，在音乐会音响应用中，放大器的效率是至关重要的。然而，音频性能也同等重要。大多数现代的放大器采用开关电源以减轻重量，与此同时，采用不同类型的线性输出电路实现高的音频品质。最近，开关模式技术(不同形式的D类放大器)已经被用于高功率放大器，对于低频应用最为成功。
    较低功率的中等和高频放大器仍然可以采用H类线性输出，以可接受的效率实现最优化的音频性能。
    让我们回顾过去的各类放大器！
    最早的高功率专业放大器采用线性B类方式工作，其概念简单，性能优越。正负功率三极管被连接到正负直流电压轨。当占空时，两个三极管基本上为“关闭”，因此，占空时的温度低。采用一个比较简单的“分相器”，当我们想向前移动扬声器锥时，正三极管降低阻抗；当我们想向后移动扬声器锥时，负三极管降低阻抗。在任意时间内，只有一个三极管工作，因此，它们彼此之间永远不会同相，从而降低了不想要的损耗。然而，因为器件以可变的电阻工作，当典型情况下传输局部输出功率时，每一个三极管的损耗相当大。在播放音乐时(图1)，损耗可能远远超过传递到扬声器的功率。其效率非常低，因此，难以用这种方法调节到非常高的电平。
 
图1：具有损耗的B类放大器。
    通过采用H类系统，我们可以极大地降低这些损耗，特别是在平均音乐电平上。这种技术在中间电压上添加一个或多个电源轨构成的电源组(图2)。专用的控制电路把输出三极管连接到最近的可用电源轨，因此，极大地降低了跨越输出级的平均电压降，从而极大地减少了电阻损耗。要在不牺牲音频性能的情况下做到这一点，就要极大地依赖于经验，但是，QSC已经成功地采用这种技术把给定平台的功率容量增加了一倍或两倍。然而，可用线性器件的散热尺寸和电压限制仍然把一个2RU机箱的最大安全功率限制在大约每通道2000瓦。
    所有线性设计的基本问题在于：热损耗是该技术固有的，不论你希望电路消耗多少功率。为了进一步取得进展，我们必须考虑一种控制传递到负载的功率的完全不同的方式。设计工程师早就知道，消除功率损耗的唯一办法就是降低电阻；理想的半导体器件要么工作在全“开”状态(导通电阻尽可能地接近零)，要么工作在全“关闭”状态(避免所有的电流和损耗)。
    我们必须把器件作为“开关”驱动，而不是把它作为电阻，并通过控制开关“导通”状态的时间来控制功率。这就是开关模式操作的本质，并且它理论上几乎没有损耗的工作。这种模式的工作在放大器历史的早期就被人们所认识，并被分配了字母D，即众所周知的D类放大。

图2：具有损耗的H类放大。
    D类放大器的基本单元
    D类放大器的基本原理就是开关以比音频范围更高的频率工作，由此产生的脉冲可以被滤除和平滑，从而得到想要的音频信号。这就包含三个主要的处理模块、重要的误差校正和保护系统，在下面的基本术语中要进行解释(图3)。调制器设置开关频率并接受连续的变化的模拟输入信号。该信号的幅度被映射为连续变化的开/关比率，因此，传输的脉冲的相对宽度代表了信号的电平，这就是脉冲宽度调制(PWM)这个术语的由来。开关级采用被连接到正和负轨的最佳可用高速开关器件。
    这些开关然后由输出的调制器驱动，因此，把PWM脉冲放大到更大的电压。因为采用线性放大器，最大输出功率仍然受到电源电压及安全的开关电流的限制，并且在理想的情况下，开关可以非常低的热损耗而工作。因此，有可能以相对小的损耗控制大的功率。
    输出滤波器必须把脉冲混合在一起，以重构期望的音频输出信号。它基本上是一种高功率低通滤波器，其截止频率被设置为高于音频范围，但是，足够低以屏蔽开关频率。这就需要采用大的无源元器件，它的品质和性能对能够实现的D类放大器的性能有限制。在其它的问题当中，滤波器的滚降衰减依赖于负载阻抗，这个阻抗在20KHz是高度可变的。因此，D类放大器跟依赖于高频响应的负载是冲突的。
    虽然这些子系统当中的每一个都相当地线性，但是，有很多机会出现失真信号，现代的音频实践称之为总误差预算，其数值仅仅为1%，理想情况下小于0.1%。因此，误差校正是使所有这些系统精密及和谐地工作的关键“粘合剂”。最后—当然—放大器必须不能因正常的危险而受到破坏，因此，不论负载和信号的条件如何，保护系统都必须把电压和电流保持在安全的极限范围之内。

图3：具有调制功能的D类放大器。
    更深入的学术问题
    在作者的整个职业生涯中，一直都对D类放大器技术保持兴趣，并且从1992年起就耐心地开发一流、鲁棒和精制的、采用D类技术的放大器。因性能不足或可靠性不够的原因，我们不得不拒绝采用许多方法。在我们的MD供电的系列扩音器中，所采用的PM1000/1400功率模块是满足我们的标准的第一个产品。目前，其后续型号Class D PL380比以前的2 RU Class H基准的功率和热容量要大两倍以上。为了启迪热心的读者，我们给出了我们在设计决策中的思考方法。
    电源
     PowerLight电源十年来一直工作良好，并且是我们所知道的有效率和可靠的系统，因此，我们选择它作为我们的新型D类放大器的可靠基础。 
     D类输出的拓朴
    许多D类系统—包括我们的PM1000平台—采用的都是H桥输出结构。这种结构有一定的优点，但是，因为它们已经工作在“桥接模式”，它们不支持两通道放大器的外部桥接输出方式的工作。此外，半导体行业一直积极地为几千瓦电机驱动和其它交流供电的应用而开发大电流、高电压开关器件。PL380在半桥拓朴中的每个通道采用了两个这种大器件，每一个器件几乎以190V的电压在正和负轨之间切换。这就把电路的复杂性尽可能地降低到最低的程度，让我们更多地把精力放在最优化每一个元器件上。500V的额定电压也确保防止击穿，即使在面临不正常的线电压瞬间突变的情况下。
    PL380采用最基本、一流的AD类开关模式。在这种模式中，上下开关的操作精确地同步，因此，负载电流总是受到一个开关或另一个开关的控制。这就需要高度精确的门驱动器系统(下面讨论)，以避免开关重叠和两个电源短路的可能性(“直通”电流)。出于安全考虑，其它的放大器容许在各个开关之间有更多的“死区时间”，而付出的代价就是失真更大。此外，一种主要的竞争方案就是BD类放大器，这是一种拥有专利技术的方案，在任意给定的时间上，只有正或负开关工作，从而消除了可能存在的直通问题。这只是采用长期的感应电流取代了短期的电流峰值，并引入了结合正/负输出电流的重大问题。
    门驱动器
    为了获得丰满的效率和低的失真，开关器件必须在几十纳秒内精确地打开和关闭，这个时间大约相当于以光速在一般的教室内传播。这就超越了最高品质的集成门驱动IC的驱动能力，因此，每一个门驱动器件要采用最快的可用光耦合器，以便把输入端的逻辑信号转换到高电压的开关级，随后接一个峰值输出为9A的超低电压门驱动IC，而每一个门驱动IC都由其自身悬浮的已调整直流电源供电，以确保完全一直的性能。
    限流
    为了驱动负载，应该具有不超过器件额定值的尽可能最高的电流。然而，在高工作温度下，安全电流的容量会下降。因此，我们采用一种动态电流测量系统来实际测量每一个FET器件在其打开期间的功率-温度特性，如果需要的话，把一个信号反馈会调制器，这样就能保持输出电流不论温度如何都不会超过安全电流的限制。当扩音器和放大器在正常的温度工作时，可以超过75A的满电流工作。如果放大器和扬声器以2欧姆艰难地驱动，放大器就会发热，而其峰值电流极限必须稍微降低，但是，相关的语音线圈的变热将增加扬声器的阻抗，所以，实际的峰值电压摆动范围保持一样。然而，如果扬声器或线以满功率短路，那么，放大器仍然完全受到保护。
    调制器
    PWM编码器对音频的品质有重要的影响，因而有许多不同的设计学派。某些产品—一般打算用于扬声器之内—采用一种具备内部误差校正的编码器以降低失真，但是，会迫使开关频率随着信号频率的增加而变化。这就使得滤波器难以完全滤除驱动长线和产生低THD读数所要求的开关频率。大多数机架安装的放大器采用一种运行在固定频率上的“时钟控制”的调制器，但是，没有配备误差校正。这些设计完全依赖于对降低失真的整体反馈，因存在输出滤波器的相移，在高频难以实现。QSC公司采用一种具有晶体控制的时钟的混合方案，实现了精确的频率控制以及内部误差校正，从而在整个反馈被施加之前把THD降低了20dB。

图4：PowerLight 3输出器件(左)与典型的输出器件的比较。
    晶体时钟
    两个D类通道和主电源被频繁地锁定，以整除相同的晶体控制的时钟，防止任何拍频污染音频流。
    静音
    放大器的静音必须出现在精确的时间，以便让开关电流不出现可感知的瞬态跳变的情况下打开和关闭。逻辑电路从不同的子系统接收静音指令，并把这些指令与时钟频率同步，从而获得可预测的静音。
    误差校正
    虽然PWM编码的过程是相当线性的，D类放大器却易于受到少量时序变化、器件电阻、尤其是电源电压变化等误差影响。所有这些误差造成高功率开关波形偏离从调制器出来的理想的脉冲串。QSC采用一种内部误差校正系统来测量实际的开关电压，并把测量结果反馈回调制器，以校正偏差。这就确保把干净的信号呈现给输出滤波器。 
    这种误差校正容许我们以比大多数其它时钟系统更低的频率切换，从而极大地改进效率和功率处理能力。
    输出滤波器
    经典的双极点输出滤波器采用大电感来平滑开关脉冲，由一个接地的电容把开关频率旁路到地。我们的电感采用一种拥有专利的绕线技术，将更多的铜线绕制在较小的磁芯上，从而缩小尺寸并减轻重量。这种滤波器经调整在大约20KHz处滚降。它对250KHz的开关频率提供大约40dB的衰减。如果在输出网络中插入250KHz的线圈，可以把衰减提高到55dB，当然，这只能在稳定的时钟控制的系统中工作。