如何利用PWM數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)D類放大器的性能設(shè)計

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，許多知名音頻放大器制造商開始生產(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)來實現(xiàn)傳統(tǒng)模擬音頻設(shè)備的性能。
放大器的分類
一般功率放大器分為A、B、AB、c四類。
最簡單的放大器只有一個有源器件，比如晶體管。晶體管需要一個偏置電路，所以不管輸入信號有多大，它永遠(yuǎn)不可能完全導(dǎo)通或關(guān)斷。這個非截止/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類放大器。
B類放大器由兩個相互推拉的晶體管組成，一個輸出電流，一個吸收電流。假設(shè)你想放大一個正負(fù)半周對稱于零的正弦波，一個晶體管放大正弦波的上半部分(零以上)，另一個放大下半部分(零以下)。換句話說，放大是由兩個晶體管依次完成的，所以B類放大器的效率更高。這種放大器的問題是存在一個非線性區(qū)域，也就是正弦波剛好通過零點的一個小區(qū)域。此時，一個晶體管剛剛關(guān)斷，另一個晶體管剛剛導(dǎo)通。因為晶體管導(dǎo)通需要很短的過渡時間，所以會由于非線性狀態(tài)而導(dǎo)致失真。
AB類放大器是a類和b類放大器的組合。它的結(jié)構(gòu)很像一個B類放大器，但是它采用了一個可以給每個晶體管提供小偏置電流的電路，所以每個晶體管不會完全關(guān)斷。它像A類放大器一樣消耗更多的功率，但失真要低得多。它也像一個B類放大器，兩個晶體管協(xié)同工作完成任務(wù)，所以整體性能更好。
c類放大器一般用于射頻或振蕩器，因為此時失真不是問題，這里就不深入討論了。
如何利用PWM數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)D類放大器的性能設(shè)計
如何利用PWM數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)D類放大器的性能設(shè)計
采用脈寬調(diào)制技術(shù)的d類放大器
D類放大器采用PWM技術(shù)，可以控制固定頻率方波的占空比，通過占空比來表示輸入值。因為PWM可以獲得高效率，所以常用于大功率設(shè)備。電動汽車用的功率放大器是D類放大器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)用的回流也是D類放大器。那么，這種工業(yè)技術(shù)可以用來處理音樂嗎？
就放大器而言，D類放大器的效率確實很高(一般高達(dá)90%)。因為晶體管幾乎總是處于導(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，晶體管大部分時間都在線性區(qū)域。
對于D類音頻放大器，負(fù)載放置在H橋的中間(見圖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類或B類放大器的四倍。
從實際出發(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
動手設(shè)計之前，必須從音頻中移除脈寬調(diào)制載波。
如果要設(shè)計低音炮D類放大器，其典型帶寬為20Hz到500kHz。這就要求過采樣頻率至少為6kHz，最好是12.5kHz，在簡單的應(yīng)用中，音頻編解碼器可以作為DSP的輸入，數(shù)字輸出可以用來驅(qū)動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)——由過采樣頻率或PWM頻率決定。PWM頻率越高，濾波階數(shù)越低，越簡單。在圖1中，兩個二階液晶濾波器之間有一個揚(yáng)聲器，每個半橋有一個濾波器。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問題。組成H橋的大功率晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷都需要時間，所以需要分配一些時間來防止一個晶體管導(dǎo)通，而另一個晶體管仍然導(dǎo)通。如果出現(xiàn)這種情況，就會出現(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引腳的上晶體管和下晶體管在導(dǎo)通前關(guān)閉一段時間。這段時間稱為死區(qū)時間，會導(dǎo)致類似于B類放大器的失真，這個失真問題可以通過使用濾波器來解決。
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。
圖1中的H橋有兩個濾波器，每個揚(yáng)聲器腿上一個。如果你習(xí)慣了單端濾波器的設(shè)計，把它們改成均衡濾波器是小事一樁。簡單計算半額定負(fù)載的濾波器，然后就可以使用得到的L和C值。