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如何利用PWM數字技術實現D類放大器的性能設計

發(fā)布時間:2021-04-08 責任編輯:lina

【導讀】脈寬調制(PWM)以其高效率和簡單易用的特點而廣受歡迎。過去,人們一般認為它僅適用于功率或數字設備,而在音頻等高靈敏度設備中卻不太適用。然而,最近幾年來許多知名音頻放大器廠商開始生產一系列的PWM音頻放大器,起初是次低音放大器,而現在則涵蓋到了整個音頻頻譜20Hz到22kHz。本文將探討如何利用PWM數字技術來實現傳統模擬音頻設備的性能。

脈寬調制(PWM)以其高效率和簡單易用的特點而廣受歡迎。過去,人們一般認為它僅適用于功率或數字設備,而在音頻等高靈敏度設備中卻不太適用。然而,最近幾年來許多知名音頻放大器廠商開始生產一系列的PWM音頻放大器,起初是次低音放大器,而現在則涵蓋到了整個音頻頻譜20Hz到22kHz。本文將探討如何利用PWM數字技術來實現傳統模擬音頻設備的性能。
 
放大器的分類
 
功率放大器一般分為四類:A、B、AB和C。
 
最簡單的放大器只有一個有源器件,如晶體管。該晶體管要加偏置電路,因此不管輸入信號有多大,它從來都不可能徹底導通或徹底截止。這一非截止/非導通區(qū)域就是所謂的線性區(qū)域,工作在線性區(qū)域的放大器輸出失真極低,但效率也很低,它就是A類放大器。
 
B類放大器由兩個相互推拉的晶體管構成,一個輸出電流,而另一個吸收電流。假設想放大一個正負半周關于零點對稱的正弦波,那么一個晶體管就放大正弦波的上半部分(零點以上部分),另一個則放大下半部分(零點以下部分)。換言之,放大是由兩個晶體管輪流共同完成的,因此,B類放大器的效率要高一些。這種放大器的問題在于存在一非線性區(qū)域,即正弦波剛通過零點的那一小片區(qū)域。這時,一個晶體管剛截止,而另一個則剛導通。由于晶體管導通需要一個短暫的過渡時間,因此就會因非線性狀態(tài)導致失真。
 
AB類放大器是A類和B類放大器的組合。其結構很像B類放大器,但采用了一種可向每個晶體管提供小偏置電流的電路,因此每個晶體管都不會徹底截止。它像A類放大器一樣功耗會大一些,但失真卻低得多。它也像B類放大器一樣,兩個晶體管配合完成任務,因此整體性能要好一些。
 
C類放大器一般用于射頻或振蕩器,因為這時失真不是問題,這里就不深入探討了。
 
如何利用PWM數字技術實現D類放大器的性能設計
 
采用PWM技術的D類放大器
 
D類放大器采用PWM技術,它可控制固定頻率方波的占空比,并通過占空比來表示輸入值。由于PWM可獲得較高的效率,因此它經常用于大功率設備。電動汽車所用的功率放大器就是D類放大器,風力發(fā)電機中用于返回電流的也是D類放大器。那么,這一工業(yè)技術能否用來處理音樂?
 
就放大器而言,D類放大器的效率確實很高(一般可達到90%)。由于晶體管幾乎總是處于要么導通,要么截止的狀態(tài),只有從一個狀態(tài)轉向另一個狀態(tài)時才進入線性區(qū)域,因此它們的功耗要比線性放大器小得多。在線性放大器中,晶體管有很大一部分時間在線性區(qū)域。
 
對于D類音頻放大器,負載放在H橋的中間(見圖1)。這樣做有一個好處,即輸出即可是正,也可是負,從而可大大提高功率,使之達到A或B類放大器的四倍。
 
從實用的角度來說,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及不錯的音頻效果。精度應該是16位(或更大),PWM載波頻率應不低于音頻帶寬的12倍,最好是25倍。跟其它音頻設備一樣,提高動態(tài)范圍的精度也很重要。標準CD播放器的精度是16位。
 
濾波器去除高頻諧波
 
在動手設計之前,必須從音頻中去除PWM載波。
 
假如要設計一個次低音D類放大器,其典型帶寬為20Hz至500kHz。這就要求過抽樣頻率至少達到6kHz,最好是12.5kHz。在簡單的應用中,音頻編解碼器可作為DSP的輸入,數字輸出可用來驅動PWM的板上外設,許多情況下不用任何處理。
 
要從音頻輸出端去除PWM載波,只要一個合適的濾波器就可完成任務,濾波器的結構---即截止頻率和階數---由過抽樣頻率或PWM頻率決定。PWM頻率越高,濾波器階數越低,也越簡單。在圖1中,兩個二階LC濾波器之間有一個揚聲器,每半個橋有一個濾波器。這些濾波器可從輸出端去除載波及其它諧波。
 
死帶(Dead-band)失真是第二個要濾波器來解決的問題。構成H橋的大型功率晶體管導通和截止都需要時間,因此必須分配出一些時間,以防一個晶體管導通時另一個還處于導通狀態(tài)。如果這種情況發(fā)生,就會出現所謂的“擊穿”現象。為避免這類情況發(fā)生,控制器必須確保每個腳的上、下晶體管在導通之前都要截止一段時間,這段時間就稱為死帶時間,它會導致類似于B類放大器的失真,利用濾波器就可解決這種失真問題。
 
采用巴特沃茲或貝塞爾濾波器一般就足夠了,兩者的通帶都比較平坦。貝塞爾濾波器還有線性相位的優(yōu)點。
 
圖1中的H橋有兩個濾波器,每個揚聲器腳上一個。如果習慣于單端濾波器設計,將它們改變成均衡濾波器也是小事一樁。對帶半額定負載的濾波器進行簡單的計算,然后就可使用所得到的L和C值。
 
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