D 類功率放大器與脈沖寬度調(diào)制

** D類功放 **

影響功放性能的兩個主要的指標(biāo)是保真度和效率赞别,模擬功放利用晶體管的線性關(guān)系滤馍,具有較高的保真度岛琼,因此,在現(xiàn)有的音響系統(tǒng)中巢株,模擬功放仍占據(jù)主導(dǎo)地位槐瑞。然而,模擬功放的主要不足是效率低纯续,功耗大随珠,散熱要求高,一般來說猬错,A類功放的效率小于50%窗看,改進的B類或AB類功放效率也在75%以下。相比較而言倦炒,D類功放以其效率高显沈、體積小、重量輕逢唤、輸出功率大的特點拉讯,近幾十年來逐漸受到重視,并得到迅速的發(fā)展鳖藕。

D 類功放的基本結(jié)構(gòu)包括調(diào)制器魔慷、開關(guān)放大器和低通濾波器。音頻信號被調(diào)制到高頻脈沖波形上著恩,功率管工作在飽和院尔、截止兩種狀態(tài)蜻展,無信號輸入時放大器處于截止?fàn)顟B(tài),不耗電邀摆;工作時纵顾,靠輸入信號讓晶體管進入飽和狀態(tài),晶體管相當(dāng)于一個接通的開關(guān)栋盹,把電源與負載直接接通施逾。在理想情況下,D 類功放的效率為 100%例获,考慮到晶體管的消耗汉额,D 類功放的效率仍要高于其它類型的功放。

圖1 D類功放一般結(jié)構(gòu)

D 類功放的調(diào)制方式有很多種躏敢,最常用的是脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation闷愤,簡稱 PWM)方法。其具體實現(xiàn)方法為將輸入波形與一個固定載頻的三角波信號進行比較件余,波形的全部信息被調(diào)制在 PWM 信號的寬度變化中讥脐。經(jīng)過開關(guān)放大和低通濾波后,可以恢復(fù)出原始的輸入波形信息啼器。

圖2 PWM 調(diào)制過程旬渠。圖 (a) 的紅線為輸入信號,藍線為高頻三角波信號端壳;圖 (b) 為比較器輸出后的 PWM 信號告丢;圖 (c) 為PWM信號經(jīng)低通濾波后的信號

** 數(shù)字 PWM 調(diào)制 **

在用 DSP 作為信號發(fā)生源時,可以外接數(shù)模轉(zhuǎn)換器(A/D Converter)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號损谦,再用三角波和載波音頻信號進行比較岖免,調(diào)制出 PWM 信號。也可以使用數(shù)字信號處理技術(shù)照捡,直接由 DSP 用數(shù)字方式產(chǎn)生PWM 信號颅湘。一些 DSP 擁有增強高分辨率脈寬調(diào)制器 (Enhanced High-Resolution Pulse-Width Modulator,簡稱 eHRPWM) 模塊栗精,可以產(chǎn)生高精度的 PWM 波闯参,這樣就簡化了調(diào)制過程,減小系統(tǒng)功耗和可能引入的噪聲悲立。

以 C6748 DSP 為例鹿寨,其自帶 2 個 eHRPWM 模塊,包括:16 bits 的專用時基計數(shù)器用于載波周期和頻率控制薪夕;6 個單邊輸出脚草、6 個雙邊同步輸出或 3 個雙邊異步輸出;死區(qū)時間控制等原献。高分辨率特性使得其在 PWM 波頻率 200kHz 的情況下精度可達 14.8 bits玩讳,可用于直接驅(qū)動 D 類功放涩蜘。

實驗中待發(fā)送波形的信號頻率范圍為 16~22kHz嚼贡,通常調(diào)制頻率應(yīng)在信號頻率的 3~4 倍以上熏纯,故選擇 200kHz 作為 PWM 波的調(diào)制頻率,假設(shè)信號的幅度范圍為 0~Vmax粤策,信號采樣點幅度 Vin 與 PWM 波占空比的關(guān)系可以表示為:

DUTY RATIO(%) = Vin / Vmax

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