采用PWM技術(shù)設(shè)計(jì)D類(lèi)放大器

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(guò)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(lái)許多知名音頻放大器廠(chǎng)商開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模擬音頻設(shè)備的性能。

放大器的分類(lèi)

功率放大器一般分為四類(lèi)：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(lái)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(xiàn)性區(qū)域，工作在線(xiàn)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(lèi)放大器。

B類(lèi)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(chēng)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(lèi)放大器的效率要高一些。這種放大器的問(wèn)題在于存在一非線(xiàn)性區(qū)域，即正弦波剛通過(guò)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(guò)渡時(shí)間，因此就會(huì)因非線(xiàn)性狀態(tài)導(dǎo)致失真。

AB類(lèi)放大器是A類(lèi)和B類(lèi)放大器的組合。其結(jié)構(gòu)很像B類(lèi)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(lèi)放大器一樣功耗會(huì)大一些，但失真卻低得多。它也像B類(lèi)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(lèi)放大器一般用于射頻或振蕩器，因?yàn)檫@時(shí)失真不是問(wèn)題，這里就不深入探討了。

采用PWM技術(shù)的D類(lèi)放大器

D類(lèi)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(guò)占空比來(lái)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(chē)所用的功率放大器就是D類(lèi)放大器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)中用于返回電流的也是D類(lèi)放大器。那么，這一工業(yè)技術(shù)能否用來(lái)處理音樂(lè)？

就放大器而言，D類(lèi)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(xiàn)性區(qū)域，因此它們的功耗要比線(xiàn)性放大器小得多。在線(xiàn)性放大器中，晶體管有很大一部分時(shí)間在線(xiàn)性區(qū)域。

對(duì)于D類(lèi)音頻放大器，負(fù)載放在H橋的中間(見(jiàn)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(lèi)放大器的四倍。

從實(shí)用的角度來(lái)說(shuō)，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(lèi)放大器，其典型帶寬為20Hz至500kHz。這就要求過(guò)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(lái)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(guò)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(lái)解決的問(wèn)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(lèi)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(chēng)為死帶時(shí)間，它會(huì)導(dǎo)致類(lèi)似于B類(lèi)放大器的失真，利用濾波器就可解決這種失真問(wèn)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(xiàn)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。

作者簡(jiǎn)介：

Don Morgan是Ultra Stereo實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)工程師，他是具有25年信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)、硬件和軟件經(jīng)驗(yàn)的資深顧問(wèn)。他還是《DSP系統(tǒng)的C語(yǔ)言數(shù)字方法》、《實(shí)用DSP建模、技巧和C語(yǔ)言編程》和《嵌入式系統(tǒng)數(shù)字方法》的作者。通過(guò)電子郵件dgm@baykitty.com可以與他聯(lián)系。