數(shù)字功率放大器的優(yōu)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

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功率放大器簡(jiǎn)稱“功放”，誕生于19世紀(jì)，至今已有100多年的歷史，在音響、電視、無線通信、雷達(dá)、聲吶等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。它的主要作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的功率放大，在水聲領(lǐng)域，功率放大器主要是驅(qū)動(dòng)水聲換能器實(shí)現(xiàn)電信號(hào)向聲信號(hào)的轉(zhuǎn)變，并向海水中輻射足夠能量的聲信號(hào)。

1、功率放大器的作用

功率放大器是聲吶發(fā)射機(jī)不可或缺的一部分，它的主要作用是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行電壓和電流放大，提高輸出功率。由波形產(chǎn)生器所產(chǎn)生信號(hào)的功率很小，無法直接驅(qū)動(dòng)換能器向水中輻射足夠能量的聲波，因此必須使用功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大。

數(shù)字功放又稱為D類功放，它的概念早在20世紀(jì)60年代就有人提出，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，進(jìn)展很緩慢。1983年，M.B Sandler教授等人提出了D類（數(shù)字）PWM功率放大器的基本結(jié)構(gòu)，主要研究?jī)?nèi)容是如何把PCM信號(hào)轉(zhuǎn)換成為PWM信號(hào)，以及如何使用不同的脈沖寬度來表示信號(hào)的幅度。D類功率放大器的放大元件的工作模式是一種開關(guān)工作狀態(tài)，當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí)，功率放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)不耗電。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，功率放大器進(jìn)入工作狀態(tài)，輸入的信號(hào)使晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想情況下，晶體管由于沒有飽和壓降因此不耗電，D類功放的效率為100%。實(shí)際應(yīng)用中，晶體管總是會(huì)存在很小的飽和壓降，因此會(huì)消耗部分電能。但這種耗電與信號(hào)輸出的大小無關(guān)，只與晶體管的特性有關(guān)，因此特別適用于超大功率的場(chǎng)合。

2、功放的基本原理

D類功率放大器的基本原理是：首先將輸入音頻信號(hào)（模擬信號(hào)或數(shù)字號(hào)）通過PWM信號(hào)變換器變換為較高頻率的PWM信號(hào)，然后將PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大以輸出足夠功率的PWM信號(hào)，最后將PWM信號(hào)通過低通濾波器進(jìn)行平滑，轉(zhuǎn)換為大功率的模擬音頻輸出信號(hào)。D類功率放大器的原理圖如圖1所示。

圖1 D類功率放大器的原理圖

根據(jù)輸入音頻信號(hào)的形式不同，PWM調(diào)制器可以分為模擬信號(hào)PWM調(diào)制器和數(shù)字信號(hào)PWM調(diào)制器兩類。模擬信號(hào)PWM調(diào)制器是將模擬輸入音頻信號(hào)和高頻載波三角波信號(hào)由比較器進(jìn)行比較，當(dāng)模擬音頻信號(hào)與三角波信號(hào)產(chǎn)生交叉時(shí)，就輸出一個(gè)相位切換信號(hào)，此信號(hào)會(huì)控制一個(gè)開關(guān)電路來產(chǎn)生極性經(jīng)過選擇的PWM信號(hào)。產(chǎn)生的PWM信號(hào)的頻率和三角波信號(hào)的頻率相同，PWM脈沖寬度由模擬輸入音頻信號(hào)的幅度來決定，即輸入音頻信號(hào)的信息由PWM信號(hào)的脈沖寬度來表示。

3、數(shù)字功率放大器的優(yōu)點(diǎn)

（1）瞬態(tài)響應(yīng)好。由于數(shù)字功放不存在模擬功放的靜態(tài)電流消耗，幾乎所有的能量都是為音頻輸出而存儲(chǔ)，而且沒有負(fù)反饋的牽制和模擬放大，因此具有更好的“動(dòng)力”特征，“動(dòng)態(tài)特性”較好。

（2）高頻段、中頻段和低頻段都沒有相對(duì)相移，聲像的定位準(zhǔn)確。由于采用數(shù)字濾波器和無負(fù)反饋的放大電路等處理技術(shù)，輸出濾波器的截止頻率可以設(shè)計(jì)的比較高，從而保證在20Hz~20k Hz內(nèi)的幅頻特性很平坦和相頻特性也較好。

（3）不存在過零、交越失真。

（4）適合大規(guī)模生產(chǎn)。

4、數(shù)字功率放大器的基本結(jié)構(gòu)

第一部分為調(diào)制器，最簡(jiǎn)單的只需要用一只運(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號(hào)加上一定直流偏置后放在運(yùn)放的正輸入端，另通過自激振蕩生成一個(gè)三角波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時(shí)，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號(hào)為零、直流偏置三角波峰值的1 /2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時(shí)間一樣，輸出就是一個(gè)占空比為1∶1的方波。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí)，正半周期內(nèi)，比較器輸出高電平的時(shí)間比低電平長(zhǎng)，方波的占空比大于1∶1;負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí)間卻大為減少，方波占空比小于1∶1。這樣，比較器輸出的波形就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)幅度調(diào)制后的波形，稱為PWM波形，音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。

圖2 D類功放的基本結(jié)構(gòu)

第二部分就是D類功放，這是一個(gè)脈沖控制的大電流開關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率PWM信號(hào)。能夠輸出的最大功率有負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。

第三部分需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。方法很簡(jiǎn)單，只需要用一個(gè)低通濾波器。但由于此時(shí)電流很大，ＲC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1∶1的脈沖到來時(shí)，C的充電時(shí)間大于放電時(shí)間，輸出電平上升;窄脈沖到來時(shí)，放電時(shí)間長(zhǎng)，輸出電平下降，正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相一致，所以原音頻信號(hào)被恢復(fù)出來，如下所示。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)應(yīng)考慮電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)，在開關(guān)頻率處、開關(guān)頻率的倍頻處存在很強(qiáng)的諧波能量，如果不對(duì)這部分諧波分量進(jìn)行抑制，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的輻射性EMI。