如何利用PWM数字技术实现D类放大器的性能设计

脉宽调制(PWM)因其高效率和易用性而广受欢迎。以前人们普遍认为只适用于电源或数字设备，不适用于音频等高灵敏度设备。然而，近年来，许多知名音频放大器制造商开始生产一系列PWM音频放大器，这些放大器最初是亚低音放大器，但现在它们覆盖了从20Hz到22kHz的整个音频频谱。本文将讨论如何利用脉宽调制数字技术来实现传统模拟音频设备的性能。
放大器的分类
一般功率放大器分为A、B、AB、c四类。
最简单的放大器只有一个有源器件，比如晶体管。晶体管需要一个偏置电路，所以不管输入信号有多大，它永远不可能完全导通或关断。这个非截止/非导电区域是所谓的线性区域。工作在线性区域的放大器具有非常低的输出失真，但是其效率也非常低。是A类放大器。
B类放大器由两个相互推拉的晶体管组成，一个输出电流，一个吸收电流。假设你想放大一个正负半周对称于零的正弦波，一个晶体管放大正弦波的上半部分(零以上)，另一个放大下半部分(零以下)。换句话说，放大是由两个晶体管依次完成的，所以B类放大器的效率更高。这种放大器的问题是存在一个非线性区域，也就是正弦波刚好通过零点的一个小区域。此时，一个晶体管刚刚关断，另一个晶体管刚刚导通。因为晶体管导通需要很短的过渡时间，所以会由于非线性状态而导致失真。
AB类放大器是a类和b类放大器的组合。它的结构很像一个B类放大器，但是它采用了一个可以给每个晶体管提供小偏置电流的电路，所以每个晶体管不会完全关断。它像A类放大器一样消耗更多的功率，但失真要低得多。它也像一个B类放大器，两个晶体管协同工作完成任务，所以整体性能更好。
c类放大器一般用于射频或振荡器，因为此时失真不是问题，这里就不深入讨论了。
如何利用PWM数字技术实现D类放大器的性能设计
如何利用PWM数字技术实现D类放大器的性能设计
采用脉宽调制技术的d类放大器
D类放大器采用PWM技术，可以控制固定频率方波的占空比，通过占空比来表示输入值。因为PWM可以获得高效率，所以常用于大功率设备。电动汽车用的功率放大器是D类放大器，风力发电机用的回流也是D类放大器。那么，这种工业技术可以用来处理音乐吗？
就放大器而言，D类放大器的效率确实很高(一般高达90%)。因为晶体管几乎总是处于导通或截止状态，从一种状态变为另一种状态时才进入线性区域，所以其功耗比线性放大器小得多。在线性放大器中，晶体管大部分时间都在线性区域。
对于D类音频放大器，负载放置在H桥的中间(见图1)。这样做的好处是，输出可以是正的，也可以是负的，因此功率大大提高到A类或B类放大器的四倍。
从实际出发，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和良好的音响效果。精度应为16位(或以上)，PWM载波频率应不低于音频带宽的12倍，最好是25倍。与其他音频设备一样，提高动态范围的准确性很重要。标准CD播放器的精度是16位。滤波器消除高频谐波
动手设计之前，必须从音频中移除脉宽调制载波。
如果要设计低音炮D类放大器，其典型带宽为20Hz到500kHz。这就要求过采样频率至少为6kHz，最好是12.5kHz，在简单的应用中，音频编解码器可以作为DSP的输入，数字输出可以用来驱动PWM的片上外设，很多情况下不需要任何处理。
要从音频输出中去除PWM载波，只有合适的滤波器才能完成任务，滤波器的结构——即截止频率和阶数——由过采样频率或PWM频率决定。PWM频率越高，滤波阶数越低，越简单。在图1中，两个二阶液晶滤波器之间有一个扬声器，每个半桥有一个滤波器。这些滤波器可以消除输出中的载波和其他谐波。
死区失真是滤波器要解决的第二个问题。组成H桥的大功率晶体管的导通和关断都需要时间，所以需要分配一些时间来防止一个晶体管导通，而另一个晶体管仍然导通。如果出现这种情况，就会出现所谓的“击穿”现象。为了避免这种情况，控制器必须确保每个引脚的上晶体管和下晶体管在导通前关闭一段时间。这段时间称为死区时间，会导致类似于B类放大器的失真，这个失真问题可以通过使用滤波器来解决。
一般用巴特沃兹滤波器或贝塞尔滤波器就够了，它们的通带比较平坦。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，每个扬声器腿上一个。如果你习惯了单端滤波器的设计，把它们改成均衡滤波器是小事一桩。简单计算半额定负载的滤波器，然后就可以使用得到的L和C值。