如何利用PWM數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)D類(lèi)放大器的性能設(shè)計(jì)

脈寬調(diào)制(PWM)因其高效率和易用性而廣受歡迎。以前人們普遍認(rèn)為只適用于電源或數(shù)字設(shè)備，不適用于音頻等高靈敏度設(shè)備。然而，近年來(lái)，許多知名音頻放大器制造商開(kāi)始生產(chǎn)一系列PWM音頻放大器，這些放大器最初是亞低音放大器，但現(xiàn)在它們覆蓋了從20Hz到22kHz的整個(gè)音頻頻譜。本文將討論如何利用脈寬調(diào)制數(shù)字技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模擬音頻設(shè)備的性能。
放大器的分類(lèi)
一般功率放大器分為A、B、AB、c四類(lèi)。
最簡(jiǎn)單的放大器只有一個(gè)有源器件，比如晶體管。晶體管需要一個(gè)偏置電路，所以不管輸入信號(hào)有多大，它永遠(yuǎn)不可能完全導(dǎo)通或關(guān)斷。這個(gè)非截止/非導(dǎo)電區(qū)域是所謂的線性區(qū)域。工作在線性區(qū)域的放大器具有非常低的輸出失真，但是其效率也非常低。是A類(lèi)放大器。
B類(lèi)放大器由兩個(gè)相互推拉的晶體管組成，一個(gè)輸出電流，一個(gè)吸收電流。假設(shè)你想放大一個(gè)正負(fù)半周對(duì)稱于零的正弦波，一個(gè)晶體管放大正弦波的上半部分(零以上)，另一個(gè)放大下半部分(零以下)。換句話說(shuō)，放大是由兩個(gè)晶體管依次完成的，所以B類(lèi)放大器的效率更高。這種放大器的問(wèn)題是存在一個(gè)非線性區(qū)域，也就是正弦波剛好通過(guò)零點(diǎn)的一個(gè)小區(qū)域。此時(shí)，一個(gè)晶體管剛剛關(guān)斷，另一個(gè)晶體管剛剛導(dǎo)通。因?yàn)榫w管導(dǎo)通需要很短的過(guò)渡時(shí)間，所以會(huì)由于非線性狀態(tài)而導(dǎo)致失真。
AB類(lèi)放大器是a類(lèi)和b類(lèi)放大器的組合。它的結(jié)構(gòu)很像一個(gè)B類(lèi)放大器，但是它采用了一個(gè)可以給每個(gè)晶體管提供小偏置電流的電路，所以每個(gè)晶體管不會(huì)完全關(guān)斷。它像A類(lèi)放大器一樣消耗更多的功率，但失真要低得多。它也像一個(gè)B類(lèi)放大器，兩個(gè)晶體管協(xié)同工作完成任務(wù)，所以整體性能更好。
c類(lèi)放大器一般用于射頻或振蕩器，因?yàn)榇藭r(shí)失真不是問(wèn)題，這里就不深入討論了。
如何利用PWM數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)D類(lèi)放大器的性能設(shè)計(jì)
如何利用PWM數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)D類(lèi)放大器的性能設(shè)計(jì)
采用脈寬調(diào)制技術(shù)的d類(lèi)放大器
D類(lèi)放大器采用PWM技術(shù)，可以控制固定頻率方波的占空比，通過(guò)占空比來(lái)表示輸入值。因?yàn)镻WM可以獲得高效率，所以常用于大功率設(shè)備。電動(dòng)汽車(chē)用的功率放大器是D類(lèi)放大器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)用的回流也是D類(lèi)放大器。那么，這種工業(yè)技術(shù)可以用來(lái)處理音樂(lè)嗎？
就放大器而言，D類(lèi)放大器的效率確實(shí)很高(一般高達(dá)90%)。因?yàn)榫w管幾乎總是處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)才進(jìn)入線性區(qū)域，所以其功耗比線性放大器小得多。在線性放大器中，晶體管大部分時(shí)間都在線性區(qū)域。
對(duì)于D類(lèi)音頻放大器，負(fù)載放置在H橋的中間(見(jiàn)圖1)。這樣做的好處是，輸出可以是正的，也可以是負(fù)的，因此功率大大提高到A類(lèi)或B類(lèi)放大器的四倍。
從實(shí)際出發(fā)，只要PWM有足夠的精度和頻率，就有可能獲得可接受的控制特性和良好的音響效果。精度應(yīng)為16位(或以上)，PWM載波頻率應(yīng)不低于音頻帶寬的12倍，最好是25倍。與其他音頻設(shè)備一樣，提高動(dòng)態(tài)范圍的準(zhǔn)確性很重要。標(biāo)準(zhǔn)CD播放器的精度是16位。濾波器消除高頻諧波
動(dòng)手設(shè)計(jì)之前，必須從音頻中移除脈寬調(diào)制載波。
如果要設(shè)計(jì)低音炮D類(lèi)放大器，其典型帶寬為20Hz到500kHz。這就要求過(guò)采樣頻率至少為6kHz，最好是12.5kHz，在簡(jiǎn)單的應(yīng)用中，音頻編解碼器可以作為DSP的輸入，數(shù)字輸出可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)PWM的片上外設(shè)，很多情況下不需要任何處理。
要從音頻輸出中去除PWM載波，只有合適的濾波器才能完成任務(wù)，濾波器的結(jié)構(gòu)——即截止頻率和階數(shù)——由過(guò)采樣頻率或PWM頻率決定。PWM頻率越高，濾波階數(shù)越低，越簡(jiǎn)單。在圖1中，兩個(gè)二階液晶濾波器之間有一個(gè)揚(yáng)聲器，每個(gè)半橋有一個(gè)濾波器。這些濾波器可以消除輸出中的載波和其他諧波。
死區(qū)失真是濾波器要解決的第二個(gè)問(wèn)題。組成H橋的大功率晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷都需要時(shí)間，所以需要分配一些時(shí)間來(lái)防止一個(gè)晶體管導(dǎo)通，而另一個(gè)晶體管仍然導(dǎo)通。如果出現(xiàn)這種情況，就會(huì)出現(xiàn)所謂的“擊穿”現(xiàn)象。為了避免這種情況，控制器必須確保每個(gè)引腳的上晶體管和下晶體管在導(dǎo)通前關(guān)閉一段時(shí)間。這段時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致類(lèi)似于B類(lèi)放大器的失真，這個(gè)失真問(wèn)題可以通過(guò)使用濾波器來(lái)解決。
一般用巴特沃茲濾波器或貝塞爾濾波器就夠了，它們的通帶比較平坦。貝塞爾濾波器還有線性相位的優(yōu)點(diǎn)。
圖1中的H橋有兩個(gè)濾波器，每個(gè)揚(yáng)聲器腿上一個(gè)。如果你習(xí)慣了單端濾波器的設(shè)計(jì)，把它們改成均衡濾波器是小事一樁。簡(jiǎn)單計(jì)算半額定負(fù)載的濾波器，然后就可以使用得到的L和C值。