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)yiqigaoxiaolvhejiandanyiyongdetedianerguangshouhuanying。guoqu,renmenyibanrenweitajinshiyongyugonglvhuoshuzishebei,erzaiyinpindenggaolingmindushebeizhongquebutaishiyong。raner,zuijinjinianlaixuduozhimingyinpinfangdaqichangshangkaishishengchanyixiliedePWM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。
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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%)。youyujingtiguanjihuzongshichuyuyaomedaotong,yaomejiezhidezhuangtai,zhiyoucongyigezhuangtaizhuanxianglingyigezhuangtaishicaijinruxianxingquyu,yincitamendegonghaoyaobixianxingfangdaqixiaodeduo。zaixianxingfangdaqizhong,jingtiguanyouhendayibufenshijianzaixianxingquyu。
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H橋(qiao)的(de)大(da)型(xing)功(gong)率(lv)晶(jing)體(ti)管(guan)導(dao)通(tong)和(he)截(jie)止(zhi)都(dou)需(xu)要(yao)時(shi)間(jian),因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)分(fen)配(pei)出(chu)一(yi)些(xie)時(shi)間(jian),以(yi)防(fang)一(yi)個(ge)晶(jing)體(ti)管(guan)導(dao)通(tong)時(shi)另(ling)一(yi)個(ge)還(hai)處(chu)於(yu)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)。如(ru)果(guo)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)發(fa)生(sheng),就(jiu)會(hui)出(chu)現(xian)所(suo)謂(wei)的(de)“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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