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智能应用

如何利用PWM数字技术实现D类放大器的性能设计

脉宽调制(PWM)以其高效率和简单易用的特点而广受欢迎。过去,人们一般认为它仅适用于功率或数字设备,而在音频等高灵敏度设备中却不太适用。然而,最近几年来许多知名音频放大器厂商开始生产一系列的PWM音频放大器,起初是次低音放大器,而现在则涵盖到了整个音频频谱20Hz到22kHz。本文将探讨如何利用PWM数字技术来实现传统模拟音频设备的性能。

放大器的分类

功率放大器一般分为四类:A、B、AB和C。

最简单的放大器只有一个有源器件,如晶体管。该晶体管要加偏置电路,因此不管输入信号有多大,它从来都不可能彻底导通或彻底截止。这一非截止/非导通区域就是所谓的线性区域,工作在线性区域的放大器输出失真极低,但效率也很低,它就是A类放大器。

B类放大器由两个相互推拉的晶体管构成,一个输出电流,而另一个吸收电流。假设想放大一个正负半周关于零点对称的正弦波,那么一个晶体管就放大正弦波的上半部分(零点以上部分),另一个则放大下半部分(零点以下部分)。换言之,放大是由两个晶体管轮流共同完成的,因此,B类放大器的效率要高一些。这种放大器的问题在于存在一非线性区域,即正弦波刚通过零点的那一小片区域。这时,一个晶体管刚截止,而另一个则刚导通。由于晶体管导通需要一个短暂的过渡时间,因此就会因非线性状态导致失真。

AB类放大器是A类和B类放大器的组合。其结构很像B类放大器,但采用了一种可向每个晶体管提供小偏置电流的电路,因此每个晶体管都不会彻底截止。它像A类放大器一样功耗会大一些,但失真却低得多。它也像B类放大器一样,两个晶体管配合完成任务,因此整体性能要好一些。

C类放大器一般用于射频振荡器,因为这时失真不是问题,这里就不深入探讨了。

如何利用PWM数字技术实现D类放大器的性能设计

采用PWM技术的D类放大器

D类放大器采用PWM技术,它可控制固定频率方波的占空比,并通过占空比来表示输入值。由于PWM可获得较高的效率,因此它经常用于大功率设备。电动汽车所用的功率放大器就是D类放大器,风力发电机中用于返回电流的也是D类放大器。那么,这一工业技术能否用来处理音乐?

就放大器而言,D类放大器的效率确实很高(一般可达到90%)。由于晶体管几乎总是处于要么导通,要么截止的状态,只有从一个状态转向另一个状态时才进入线性区域,因此它们的功耗要比线性放大器小得多。在线性放大器中,晶体管有很大一部分时间在线性区域。

对于D类音频放大器,负载放在H桥的中间(见图1)。这样做有一个好处,即输出即可是正,也可是负,从而可大大提高功率,使之达到A或B类放大器的四倍。

从实用的角度来说,只要PWM有足够的精度和频率,就有可能获得可接受的控制特性及不错的音频效果。精度应该是16位(或更大),PWM载波频率应不低于音频带宽的12倍,最好是25倍。跟其它音频设备一样,提高动态范围的精度也很重要。标准CD播放器的精度是16位。

滤波器去除高频谐波

在动手设计之前,必须从音频中去除PWM载波。

假如要设计一个次低音D类放大器,其典型带宽为20Hz至500kHz。这就要求过抽样频率至少达到6kHz,最好是12.5kHz。在简单的应用中,音频编解码器可作为DSP的输入,数字输出可用来驱动PWM的板上外设,许多情况下不用任何处理。

要从音频输出端去除PWM载波,只要一个合适的滤波器就可完成任务,滤波器的结构---即截止频率和阶数---由过抽样频率或PWM频率决定。PWM频率越高,滤波器阶数越低,也越简单。在图1中,两个二阶LC滤波器之间有一个扬声器,每半个桥有一个滤波器。这些滤波器可从输出端去除载波及其它谐波。

死带(Dead-band)失真是第二个要滤波器来解决的问题。构成H桥的大型功率晶体管导通和截止都需要时间,因此必须分配出一些时间,以防一个晶体管导通时另一个还处于导通状态。如果这种情况发生,就会出现所谓的“击穿”现象。为避免这类情况发生,控制器必须确保每个脚的上、下晶体管在导通之前都要截止一段时间,这段时间就称为死带时间,它会导致类似于B类放大器的失真,利用滤波器就可解决这种失真问题。

采用巴特沃兹或贝塞尔滤波器一般就足够了,两者的通带都比较平坦。贝塞尔滤波器还有线性相位的优点。

图1中的H桥有两个滤波器,每个扬声器脚上一个。如果习惯于单端滤波器设计,将它们改变成均衡滤波器也是小事一桩。对带半额定负载的滤波器进行简单的计算,然后就可使用所得到的L和C值。

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