如何利用PWM數字技術實現D類放大器的性能設計
發布時間:2021-04-08 責任編輯:lina
【導讀】脈寬調製(PWM)以(yi)其(qi)高(gao)效(xiao)率(lv)和(he)簡(jian)單(dan)易(yi)用(yong)的(de)特(te)點(dian)而(er)廣(guang)受(shou)歡(huan)迎(ying)。過(guo)去(qu),人(ren)們(men)一(yi)般(ban)認(ren)為(wei)它(ta)僅(jin)適(shi)用(yong)於(yu)功(gong)率(lv)或(huo)數(shu)字(zi)設(she)備(bei),而(er)在(zai)音(yin)頻(pin)等(deng)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)設(she)備(bei)中(zhong)卻(que)不(bu)太(tai)適(shi)用(yong)。然(ran)而(er),最(zui)近(jin)幾(ji)年(nian)來(lai)許(xu)多(duo)知(zhi)名(ming)音(yin)頻(pin)放(fang)大(da)器(qi)廠(chang)商(shang)開(kai)始(shi)生(sheng)產(chan)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)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。
脈寬調製(PWM)以(yi)其(qi)高(gao)效(xiao)率(lv)和(he)簡(jian)單(dan)易(yi)用(yong)的(de)特(te)點(dian)而(er)廣(guang)受(shou)歡(huan)迎(ying)。過(guo)去(qu),人(ren)們(men)一(yi)般(ban)認(ren)為(wei)它(ta)僅(jin)適(shi)用(yong)於(yu)功(gong)率(lv)或(huo)數(shu)字(zi)設(she)備(bei),而(er)在(zai)音(yin)頻(pin)等(deng)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)設(she)備(bei)中(zhong)卻(que)不(bu)太(tai)適(shi)用(yong)。然(ran)而(er),最(zui)近(jin)幾(ji)年(nian)來(lai)許(xu)多(duo)知(zhi)名(ming)音(yin)頻(pin)放(fang)大(da)器(qi)廠(chang)商(shang)開(kai)始(shi)生(sheng)產(chan)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)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zui簡jian單dan的de放fang大da器qi隻zhi有you一yi個ge有you源yuan器qi件jian,如ru晶jing體ti管guan。該gai晶jing體ti管guan要yao加jia偏pian置zhi電dian路lu,因yin此ci不bu管guan輸shu入ru信xin號hao有you多duo大da,它ta從cong來lai都dou不bu可ke能neng徹che底di導dao通tong或huo徹che底di截jie止zhi。這zhe一yi非fei截jie止zhi/非導通區域就是所謂的線性區域,工作在線性區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(lei)放(fang)大(da)器(qi)由(you)兩(liang)個(ge)相(xiang)互(hu)推(tui)拉(la)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)構(gou)成(cheng),一(yi)個(ge)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu),而(er)另(ling)一(yi)個(ge)吸(xi)收(shou)電(dian)流(liu)。假(jia)設(she)想(xiang)放(fang)大(da)一(yi)個(ge)正(zheng)負(fu)半(ban)周(zhou)關(guan)於(yu)零(ling)點(dian)對(dui)稱(cheng)的(de)正(zheng)弦(xian)波(bo),那(na)麼(me)一(yi)個(ge)晶(jing)體(ti)管(guan)就(jiu)放(fang)大(da)正(zheng)弦(xian)波(bo)的(de)上(shang)半(ban)部(bu)分(fen)(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(lei)放(fang)大(da)器(qi)的(de)效(xiao)率(lv)要(yao)高(gao)一(yi)些(xie)。這(zhe)種(zhong)放(fang)大(da)器(qi)的(de)問(wen)題(ti)在(zai)於(yu)存(cun)在(zai)一(yi)非(fei)線(xian)性(xing)區(qu)域(yu),即(ji)正(zheng)弦(xian)波(bo)剛(gang)通(tong)過(guo)零(ling)點(dian)的(de)那(na)一(yi)小(xiao)片(pian)區(qu)域(yu)。這(zhe)時(shi),一(yi)個(ge)晶(jing)體(ti)管(guan)剛(gang)截(jie)止(zhi),而(er)另(ling)一(yi)個(ge)則(ze)剛(gang)導(dao)通(tong)。由(you)於(yu)晶(jing)體(ti)管(guan)導(dao)通(tong)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)短(duan)暫(zan)的(de)過(guo)渡(du)時(shi)間(jian),因(yin)此(ci)就(jiu)會(hui)因(yin)非(fei)線(xian)性(xing)狀(zhuang)態(tai)導(dao)致(zhi)失(shi)真(zhen)。
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類放大器一般用於射頻或振蕩器,因為這時失真不是問題,這裏就不深入探討了。

采用PWM技術的D類放大器
D類放大器采用PWM技術,它可控製固定頻率方波的占空比,並通過占空比來表示輸入值。由於PWM可獲得較高的效率,因此它經常用於大功率設備。電動汽車所用的功率放大器就是D類放大器,風力發電機中用於返回電流的也是D類放大器。那麼,這一工業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you於yu晶jing體ti管guan幾ji乎hu總zong是shi處chu於yu要yao麼me導dao通tong,要yao麼me截jie止zhi的de狀zhuang態tai,隻zhi有you從cong一yi個ge狀zhuang態tai轉zhuan向xiang另ling一yi個ge狀zhuang態tai時shi才cai進jin入ru線xian性xing區qu域yu,因yin此ci它ta們men的de功gong耗hao要yao比bi線xian性xing放fang大da器qi小xiao得de多duo。在zai線xian性xing放fang大da器qi中zhong,晶jing體ti管guan有you很hen大da一yi部bu分fen時shi間jian在zai線xian性xing區qu域yu。
對於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,隻要PWM有足夠的精度和頻率,就有可能獲得可接受的控製特性及不錯的音頻效果。精度應該是16位(或更大),PWM載波頻率應不低於音頻帶寬的12倍,最好是25倍。跟其它音頻設備一樣,提高動態範圍的精度也很重要。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,隻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Hqiaodedaxinggonglvjingtiguandaotonghejiezhidouxuyaoshijian,yincibixufenpeichuyixieshijian,yifangyigejingtiguandaotongshilingyigehaichuyudaotongzhuangtai。ruguozhezhongqingkuangfasheng,jiuhuichuxiansuoweide“擊穿”現象。為避免這類情況發生,控製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,它會導致類似於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點。
圖1中的H橋qiao有you兩liang個ge濾lv波bo器qi,每mei個ge揚yang聲sheng器qi腳jiao上shang一yi個ge。如ru果guo習xi慣guan於yu單dan端duan濾lv波bo器qi設she計ji,將jiang它ta們men改gai變bian成cheng均jun衡heng濾lv波bo器qi也ye是shi小xiao事shi一yi樁zhuang。對dui帶dai半ban額e定ding負fu載zai的de濾lv波bo器qi進jin行xing簡jian單dan的de計ji算suan,然ran後hou就jiu可ke使shi用yong所suo得de到dao的deL和C值。
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