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採用PWM技術設計D類放大器

上網時間: 2002年07月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:脈寬調變  PWM  音頻  PWM音頻放大器  DSP 

脈寬調變(PWM)以其高效率和簡單易用的特點而廣受歡迎。過去,人們一般認為它僅適用於功率或數位設備,而在音頻等高靈敏度設備中卻不太適用。然而,最近幾年來許多知名音頻放大器廠商開始生產一系列的PWM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數位技術來實現傳統類比音頻設備的性能。

放大器的分類

功率放大器一般分為四類:A、B、AB和C。

最簡單的放大器只有一個主動元件,如電晶體。該電晶體要加偏置電路,因此不管輸入信號有多大,它從來都不可能徹底導通或徹底截止。這一非截止?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類放大器由兩個相互推拉的電晶體構成,一個輸出電流,而另一個吸收電流。假設想放大一個正負半周關於零點對稱的正弦波,那麼一個電晶體就放大正弦波的上半部份(零點以上部份),另一個則放大下半部份(零點以下部份)。換言之,放大是由兩個電晶體輪流共同完成的,因此,B類放大器的效率要高一些。這種放大器的問題在於存在一非線性區域,即正弦波剛藉由零點的那一小片區域。這時,一個電晶體剛截止,而另一個則剛導通。由於電晶體導通需要一個短暫的過渡時間,因此就會因非線性狀態導致失真。

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,但採用了一種可向每個電晶體提供小偏置電流的電路,因此每個電晶體都不會徹底截止。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,兩個電晶體配合完成任務,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?就不深入探討了。

採用PWM技術的D類放大器

D類放大器採用PWM技術,它可控制固定頻率方波的佔空比,並藉由佔空比來表示輸入值。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%)。由於電晶體幾乎總是處於要麼導通,要麼截止的狀態,只有從一個狀態轉向另一個狀態時才進入線性區域,因此它們的功耗要比線性放大器小得多。在線性放大器中,電晶體有很大一部份時間在線性區域。

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,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的音頻效果。精度應該是16位元(或更大),PWM載波頻率應不低於音頻頻寬的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位元。

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,其典型頻寬為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,數位輸出可用來驅動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,只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橋的大型功率電晶體導通和截止都需要時間,因此必須分配出一些時間,以防一個電晶體導通時另一個還處於導通狀態。如果這種情況產生,就會出現所謂的‘擊穿’現象。為避免這類情況產生,控制器必須確保每個腳的上、下電晶體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。

採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橋有兩個濾波器,每個揚聲器腳上一個。如果習慣於單端濾波器設計,將它們改變成均衡濾波器也是小事一樁。對帶半額定負載的濾波器進行簡單的計算,然後就可使用所得到的L和C值。

作者簡介:

Don Morgan是Ultra Stereo實驗室的高級工程師,他是具有25年信號處理、嵌入式系統、硬體和軟體經驗的資深顧問。他還是《DSP系統的C語言數位方法》、《實用DSP建模、技巧和C語言編程》和《嵌入式系統數位方法》的作者。藉由電子郵件dgm@baykitty.com可以與他聯繫。

作者: Don Morgan

Ultra Stereo實驗室

dgm@baykitty.com。





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