如何利用PWM數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)D類放大器的性能設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2021-04-08 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】脈寬調(diào)制(PWM)以其高效率和簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)而廣受歡迎。過去,人們一般認(rèn)為它僅適用于功率或數(shù)字設(shè)備,而在音頻等高靈敏度設(shè)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(chǎn)一系列的PWM音頻放大器,起初是次低音放大器,而現(xiàn)在則涵蓋到了整個(gè)音頻頻譜20Hz到22kHz。本文將探討如何利用PWM數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模擬音頻設(shè)備的性能。
脈寬調(diào)制(PWM)以其高效率和簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)而廣受歡迎。過去,人們一般認(rèn)為它僅適用于功率或數(shù)字設(shè)備,而在音頻等高靈敏度設(shè)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(chǎn)一系列的PWM音頻放大器,起初是次低音放大器,而現(xiàn)在則涵蓋到了整個(gè)音頻頻譜20Hz到22kHz。本文將探討如何利用PWM數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模擬音頻設(shè)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(jiǎn)單的放大器只有一個(gè)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(hào)有多大,它從來都不可能徹底導(dǎo)通或徹底截止。這一非截止/非導(dǎo)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(gè)相互推拉的晶體管構(gòu)成,一個(gè)輸出電流,而另一個(gè)吸收電流。假設(shè)想放大一個(gè)正負(fù)半周關(guān)于零點(diǎn)對(duì)稱的正弦波,那么一個(gè)晶體管就放大正弦波的上半部分(零點(diǎn)以上部分),另一個(gè)則放大下半部分(零點(diǎn)以下部分)。換言之,放大是由兩個(gè)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(diǎn)的那一小片區(qū)域。這時(shí),一個(gè)晶體管剛截止,而另一個(gè)則剛導(dǎo)通。由于晶體管導(dǎo)通需要一個(gè)短暫的過渡時(shí)間,因此就會(huì)因非線性狀態(tài)導(dǎo)致失真。
AB類放大器是A類和B類放大器的組合。其結(jié)構(gòu)很像B類放大器,但采用了一種可向每個(gè)晶體管提供小偏置電流的電路,因此每個(gè)晶體管都不會(huì)徹底截止。它像A類放大器一樣功耗會(huì)大一些,但失真卻低得多。它也像B類放大器一樣,兩個(gè)晶體管配合完成任務(wù),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?yàn)檫@時(shí)失真不是問題,這里就不深入探討了。
采用PWM技術(shù)的D類放大器
D類放大器采用PWM技術(shù),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(jīng)常用于大功率設(shè)備。電動(dòng)汽車所用的功率放大器就是D類放大器,風(fēng)力發(fā)電機(jī)中用于返回電流的也是D類放大器。那么,這一工業(yè)技術(shù)能否用來處理音樂?
就放大器而言,D類放大器的效率確實(shí)很高(一般可達(dá)到90%)。由于晶體管幾乎總是處于要么導(dǎo)通,要么截止的狀態(tài),只有從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)向另一個(gè)狀態(tài)時(shí)才進(jìn)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(shí)間在線性區(qū)域。
對(duì)于D類音頻放大器,負(fù)載放在H橋的中間(見圖1)。這樣做有一個(gè)好處,即輸出即可是正,也可是負(fù),從而可大大提高功率,使之達(dá)到A或B類放大器的四倍。
從實(shí)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(cuò)的音頻效果。精度應(yīng)該是16位(或更大),PWM載波頻率應(yīng)不低于音頻帶寬的12倍,最好是25倍。跟其它音頻設(shè)備一樣,提高動(dòng)態(tài)范圍的精度也很重要。標(biāo)準(zhǔn)CD播放器的精度是16位。
濾波器去除高頻諧波
在動(dòng)手設(shè)計(jì)之前,必須從音頻中去除PWM載波。
假如要設(shè)計(jì)一個(gè)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(dá)到6kHz,最好是12.5kHz。在簡(jiǎn)單的應(yīng)用中,音頻編解碼器可作為DSP的輸入,數(shù)字輸出可用來驅(qū)動(dòng)PWM的板上外設(shè),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(gè)合適的濾波器就可完成任務(wù),濾波器的結(jié)構(gòu)---即截止頻率和階數(shù)---由過抽樣頻率或PWM頻率決定。PWM頻率越高,濾波器階數(shù)越低,也越簡(jiǎn)單。在圖1中,兩個(gè)二階LC濾波器之間有一個(gè)揚(yáng)聲器,每半個(gè)橋有一個(gè)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(gè)要濾波器來解決的問題。構(gòu)成H橋的大型功率晶體管導(dǎo)通和截止都需要時(shí)間,因此必須分配出一些時(shí)間,以防一個(gè)晶體管導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)還處于導(dǎo)通狀態(tài)。如果這種情況發(fā)生,就會(huì)出現(xiàn)所謂的“擊穿”現(xiàn)象。為避免這類情況發(fā)生,控制器必須確保每個(gè)腳的上、下晶體管在導(dǎo)通之前都要截止一段時(shí)間,這段時(shí)間就稱為死帶時(shí)間,它會(huì)導(dǎo)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(diǎn)。
圖1中的H橋有兩個(gè)濾波器,每個(gè)揚(yáng)聲器腳上一個(gè)。如果習(xí)慣于單端濾波器設(shè)計(jì),將它們改變成均衡濾波器也是小事一樁。對(duì)帶半額定負(fù)載的濾波器進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算,然后就可使用所得到的L和C值。
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