采用PWM技术设计D类放大器

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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或振荡器，因为这时失真不是问题，这里就不深入探讨了。



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。

作者简介：

Don Morgan是Ultra Stereo实验室的高级工程师，他是具有25年信号处理、嵌入式系统、硬件和软件经验的资深顾问。他还是《DSP系统的C语言数字方法》、《实用DSP建模、技巧和C语言编程》和《嵌入式系统数字方法》的作者。通过电子邮件dgm@baykitty.com可以与他联系。