数字功率放大器

电子万花筒 2024-06-05 07:30

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功率放大器简称“功放”，诞生于19世纪，至今已有100多年的历史，在音响、电视、无线通信、雷达、声呐等领域中的应用越来越广泛。它的主要作用是实现信号的功率放大，在水声领域，功率放大器主要是驱动水声换能器实现电信号向声信号的转变，并向海水中辐射足够能量的声信号。

1、功率放大器的作用

功率放大器是声呐发射机不可或缺的一部分，它的主要作用是对音频信号进行电压和电流放大，提高输出功率。由波形产生器所产生信号的功率很小，无法直接驱动换能器向水中辐射足够能量的声波，因此必须使用功率放大器对信号进行功率放大。

数字功放又称为D类功放，它的概念早在20世纪60年代就有人提出，但受限于当时的技术条件，进展很缓慢。1983年， M.B Sandler 教授等人提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构，主要研究内容是如何把 PCM 信号转换成为 PWM 信号，以及如何使用不同的脉冲宽度来表示信号的幅度。D类功率放大器的放大元件的工作模式是一种开关工作状态，当没有信号输入时，功率放大器处于截止状态，此时不耗电。当有信号输入时，功率放大器进入工作状态，输入的信号使晶体管进入饱和状态，此时，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想情况下，晶体管由于没有饱和压降因此不耗电，D类功放的效率为100%。实际应用中，晶体管总是会存在很小的饱和压降，因此会消耗部分电能。但这种耗电与信号输出的大小无关，只与晶体管的特性有关，因此特别适用于超大功率的场合。

2、功放的基本原理

D 类功率放大器的基本原理是：首先将输入音频信号（模拟信号或数字号）通过PWM 信号变换器变换为较高频率的 PWM 信号，然后将 PWM 信号进行功率放大以输出足够功率的 PWM 信号，最后将 PWM 信号通过低通滤波器进行平滑，转换为大功率的模拟音频输出信号。D 类功率放大器的原理图如图1所示。

图1 D类功率放大器的原理图

根据输入音频信号的形式不同，PWM 调制器可以分为模拟信号 PWM 调制器和数字信号PWM 调制器两类。模拟信号 PWM 调制器是将模拟输入音频信号和高频载波三角波信号由比较器进行比较，当模拟音频信号与三角波信号产生交叉时，就输出一个相位切换信号，此信号会控制一个开关电路来产生极性经过选择的PWM信号。产生的PWM信号的频率和三角波信号的频率相同，PWM脉冲宽度由模拟输入音频信号的幅度来决定，即输入音频信号的信息由PWM信号的脉冲宽度来表示。

3、数字功率放大器的优点

（1）瞬态响应好。由于数字功放不存在模拟功放的静态电流消耗，几乎所有的能量都是为音频输出而存储，而且没有负反馈的牵制和模拟放大，因此具有更好的“动力”特征，“动态特性”较好。

（2）高频段、中频段和低频段都没有相对相移，声像的定位准确。由于采用数字滤波器和无负反馈的放大电路等处理技术，输出滤波器的截止频率可以设计的比较高，从而保证在20Hz~20k Hz内的幅频特性很平坦和相频特性也较好。

（3）不存在过零、交越失真。

（4）适合大规模生产。

4、数字功率放大器的基本结构

第一部分为调制器，最简单的只需要用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个三角波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。若音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的 1 /2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为 1 ∶1的方波。当有音频信号输入时，正半周期内，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于 1 ∶1; 负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于 1 ∶1。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为 PWM 波形，音频信息被调制到脉冲波形中。

图2 D类功放的基本结构

第二部分就是 D 类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的 PWM 信号变成高电压、大电流的大功率 PWM 信号。能够输出的最大功率有负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。

第三部分需把大功率 PWM 波形中的声音信息还原出来。方法很简单，只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，ＲC 结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用 LC 低通滤波器。当占空比大于 1 ∶1的脉冲到来时，C 的充电时间大于放电时间，输出电平上升; 窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被恢复出来，如下所示。设计滤波器时应考虑电磁干扰( Electromagnetic Interference，EMI) ，在开关频率处、开关频率的倍频处存在很强的谐波能量，如果不对这部分谐波分量进行抑制，就会导致严重的辐射性EMI。