D类放大器

2022-03-15

D类放大器

基于高导通角的放大器可(kě)提供非常好的線(xiàn)性度，例如A 类放大器，但效率非常有(yǒu)限，通常约為(wèi) 20% 至 30%。随着导通角的减小(xiǎo)，可(kě)以达到高效率，例如使用(yòng)C 类放大器。

因此，為(wèi)了实现 100% 的效率，需要趋于 0° 的导通角。然而，正如我们在C 类放大器中看到的那样，这无法实现，因為(wèi)没有(yǒu)向负载供電(diàn)。

D 类放大器通过与传统 A、B、AB 或 C 类放大器不同的方法来精确解决这个问题。第一部分(fēn)介绍了 D 类放大器的简化架构及其一般功能(néng)。正如我们将在本节中看到的，D 类放大器由三个不同的主要模块组成。因此，接下来的部分(fēn)将重点介绍这些模块中的每一个，以了解信号在 D 类放大过程中是如何转换的。最后一节给出了关于该放大器效率的一点说明。最后，在总结信号全局变换的结论中综合了这些信息。

D类放大的介绍

D类放大器通常由三个不同的模块组成：调制器、开关级和低通滤波器。信号路径以及这些不同模块的顺序如下图 1所示：

图 1：D 类放大器的流程图

虽然经典放大器接受正弦信号作為(wèi)输入，但 D 类放大器之前通过调制器将其转换為(wèi)矩形信号。我们将在专用(yòng)部分(fēn)中看到，图 1中提出的关于调制的观点被过度简化了。

由于晶體(tǐ)管，开关级是进行放大的地方。我们在处理(lǐ)此阶段的部分(fēn)中详细介绍了晶體(tǐ)管在特定状态和互补配置中工作，以便正确放大矩形信号。

最后，使用(yòng)低通滤波器来恢复信号的正弦形状。此外，这个最后阶段消除了在放大过程中可(kě)能(néng)产生的不合需要的谐波。

调制

存在许多(duō)调制技术，但在许多(duō)应用(yòng)中最常见和广泛使用(yòng)的是脉冲宽度调制 (PWM)。表示 PWM 的简单图表如下图 2所示：

图 2：PWM 调制器的原理(lǐ)

该技术包括将输入正弦信号与通常称為(wèi)从独立发生器获得的载波的高频三角信号进行比较。為(wèi)了符合香农定理(lǐ)，载波信号的频率必须至少是正弦信号频率的两倍。

通过在这两个信号之间进行以下比较来获得调制器的输出：

如果正弦高于载波信号，则输出等于 1

否则，输出等于 0

在本教程的过程中，将通过使用(yòng) MatLab ® 软件绘制放大的每个步骤来跟踪信号的转换。在下面的图 3中，频率為(wèi) 2 Hz 的输入信号与频率為(wèi) 20 Hz 的载波信号一起绘制。此外，通过前面解释的比较绘制 PWM 输出。

图 3：PWM 输入和输出。

需要注意的是，PWM 输出的频率与载波频率相同。占空比是表征信号值在一段时间内為(wèi) 1 的比例的数字。例如，如果脉冲是对称的，则信号的一半為(wèi) 1，一半為(wèi) 0，因此占空比為(wèi) 50 % 或 0.5。在 PWM 的情况下，虽然频率是恒定的，但占空比会发生变化。

我们可(kě)以注意到，当输入信号最大时，PWM 占空比趋于1，反之，当输入信号最小(xiǎo)时，则趋于0。因此，PWM 的占空比与正弦信号的原始形状直接相关。这一确认确实可(kě)以通过一个简单的算法来确认，该算法独立地平均每个周期的 PWM 输出，结果绘制并显示在图 4中：

图 4：PWM 信号的平均操作

从图中可(kě)以清楚地看出，当对 PWM 信号进行平均时，原始信号的正弦形状又(yòu)出现了。在实际電(diàn)路中，此操作由过滤器完成，我们将在“过滤”部分(fēn)中看到。

放大

由于通常选择载波信号，例如其频率遠(yuǎn)高于输入信号，因此要放大的 PWM 输出可(kě)以高于基于 BJT 的放大器的高截止频率（请参阅频率响应教程）。这就是為(wèi)什么高频MOS 晶體(tǐ)管比经典的基于双极的放大器更适合 D 类放大的原因。

在 D 类放大器中，一个 NMOS 和一个 PMOS 以推挽配置连接，如图 5所示：

图 5：放大级的推挽配置

与B 类放大器一样，互补晶體(tǐ)管的偏置方式是 NMOS 仅放大正半波，PMOS 仅放大负半波。这个放大级也被称為(wèi)开关级，因為(wèi)晶體(tǐ)管的行為(wèi)就像开关一样：它们要么完全开启（短路），要么完全关闭（开路）。

过滤

為(wèi)了恢复信号的原始正弦形状，放大后的脉冲信号必须经过滤波器处理(lǐ)。这个过滤器应该遵守一些条件：

抑制高于放大器正常带宽（中频）的高频，特别是载波频率及其谐波。

以良好的增益再现放大器的中频。例如，音频放大器為(wèi) 20 Hz – 20 kHz。

实现中频的最大平坦频带。

这种滤波器通常称為(wèi)巴特沃斯滤波器。用(yòng)于满足这些要求的典型滤波器是并联 LC 電(diàn)路。当与负载 R L并联时，它实际上可(kě)以看作是一个 RLC 滤波器。

图 6：低通 L//C 滤波器

该滤波器的带宽的特征在于其在 -3 dB 处的截止频率 f c满足公式 1：

eq 1 : 低通滤波器的截止频率

此外，由于 RLC 電(diàn)路是二阶滤波器，因此在 f c上方观察到-40 dB/dec的强烈滚降。该滤波器的频率响应的渐近图如图 7 所示：

图 7：二阶巴特沃斯滤波器频率响应

多(duō)级并行 LC 配置值得赞赏，因為(wèi)每个级别都会增加过滤器的阶数，从而提高过滤质量。在图 8中，我们可(kě)以注意到应用(yòng)于我们示例的一阶或二阶巴特沃斯滤波器的输出结果之间的差异：

图 8：一阶和二阶巴特沃斯滤波器的输出差异

由于输入信号的频率為(wèi) 2 Hz，载波频率為(wèi) 20 Hz，因此该滤波器选择了 4 Hz 的截止频率。我们可(kě)以强调一个事实，即一阶滤波器是不合适的，因為(wèi)它不会充分(fēn)衰减载波频率，而二阶滤波器的输出则更加正弦。

效率

D类放大器的原始工作方式使其效率达到非常高的水平。晶體(tǐ)管的行為(wèi)几乎与理(lǐ)想开关一样，这一事实解释了这种高效率：

当它们关闭时，没有(yǒu)電(diàn)流 I DS在漏极和源极之间流动。

当它们打开时，在漏极和源极上没有(yǒu)观察到電(diàn)压 V DS 。

因此，没有(yǒu)功率 V DS ×I DS以损耗（热）的形式耗散。通常 D 类放大器的效率在90% 以上。

结论

D 类放大器的工作方式与其他(tā)典型类（A、B、C）非常不同。它们确实是高度非線(xiàn)性的，并包含特殊模块来处理(lǐ)信号。

要完成的第一个操作称為(wèi)脉冲宽度调制 (PWM)，包括将输入信号与高频三角信号进行比较。无论输入高于还是低于载波，都会生成一个称為(wèi) PWM 输出的新(xīn)信号，该信号由与载波频率相同但占空比可(kě)变的矩形信号组成。该信号与正弦输入的原始形状直接相关。

在返回正弦信号之前，由推挽配置中的两个互补 NMOS 和 PMOS 制成的开关级放大 PWM 输出。晶體(tǐ)管的特殊性在于它们在完全开启或关闭之间切换，并且它们永遠(yuǎn)不会在其線(xiàn)性區(qū)域内工作。

使用(yòng)这个放大的脉冲信号，最后一级由 L//C 電(diàn)路组成，充当巴特沃斯滤波器以恢复原始正弦形状。正确设置截止频率以消除载波频率及其相关谐波非常重要。此外，最好使用(yòng)高阶巴特沃斯滤波器，以尽可(kě)能(néng)避免失真。

最后，我们注意到该放大器的效率明显高于典型类别，因為(wèi)晶體(tǐ)管的开关行為(wèi)可(kě)实现低功耗。这一事实在D 类放大器的设计中是一个很(hěn)大的优势：它们不需要笨重的散热器。

由于其众多(duō)优势，D 类放大器可(kě)以在许多(duō)日常应用(yòng)中找到：手机和许多(duō)音频设备，如耳机、汽車(chē)收音机等……