D類(lèi)放大器

2022-03-15

D類(lèi)放大器

基于高導通角的放大器可提供非常好的線(xiàn)性度，例如A 類(lèi)放大器，但效率非常有限，通常約為 20% 至 30%。隨著(zhù)導通角的減小，可以達到高效率，例如使用C 類(lèi)放大器。

因此，為了實(shí)現 100% 的效率，需要趨于 0° 的導通角。然而，正如我們在C 類(lèi)放大器中看到的那樣，這無(wú)法實(shí)現，因為沒(méi)有向負載供電。

D 類(lèi)放大器通過(guò)與傳統 A、B、AB 或 C 類(lèi)放大器不同的方法來(lái)精確解決這個(gè)問(wèn)題。第一部分介紹了 D 類(lèi)放大器的簡(jiǎn)化架構及其一般功能。正如我們將在本節中看到的，D 類(lèi)放大器由三個(gè)不同的主要模塊組成。因此，接下來(lái)的部分將重點(diǎn)介紹這些模塊中的每一個(gè)，以了解信號在 D 類(lèi)放大過(guò)程中是如何轉換的。最后一節給出了關(guān)于該放大器效率的一點(diǎn)說(shuō)明。最后，在總結信號全局變換的結論中綜合了這些信息。

D類(lèi)放大的介紹

D類(lèi)放大器通常由三個(gè)不同的模塊組成：調制器、開(kāi)關(guān)級和低通濾波器。信號路徑以及這些不同模塊的順序如下圖 1所示：

圖 1：D 類(lèi)放大器的流程圖

雖然經(jīng)典放大器接受正弦信號作為輸入，但 D 類(lèi)放大器之前通過(guò)調制器將其轉換為矩形信號。我們將在專(zhuān)用部分中看到，圖 1中提出的關(guān)于調制的觀(guān)點(diǎn)被過(guò)度簡(jiǎn)化了。

由于晶體管，開(kāi)關(guān)級是進(jìn)行放大的地方。我們在處理此階段的部分中詳細介紹了晶體管在特定狀態(tài)和互補配置中工作，以便正確放大矩形信號。

最后，使用低通濾波器來(lái)恢復信號的正弦形狀。此外，這個(gè)最后階段消除了在放大過(guò)程中可能產(chǎn)生的不合需要的諧波。

調制

存在許多調制技術(shù)，但在許多應用中最常見(jiàn)和廣泛使用的是脈沖寬度調制 (PWM)。表示 PWM 的簡(jiǎn)單圖表如下圖 2所示：

圖 2：PWM 調制器的原理

該技術(shù)包括將輸入正弦信號與通常稱(chēng)為從獨立發(fā)生器獲得的載波的高頻三角信號進(jìn)行比較。為了符合香農定理，載波信號的頻率必須至少是正弦信號頻率的兩倍。

通過(guò)在這兩個(gè)信號之間進(jìn)行以下比較來(lái)獲得調制器的輸出：

如果正弦高于載波信號，則輸出等于 1

否則，輸出等于 0

在本教程的過(guò)程中，將通過(guò)使用 MatLab ? 軟件繪制放大的每個(gè)步驟來(lái)跟蹤信號的轉換。在下面的圖 3中，頻率為 2 Hz 的輸入信號與頻率為 20 Hz 的載波信號一起繪制。此外，通過(guò)前面解釋的比較繪制 PWM 輸出。

圖 3：PWM 輸入和輸出。

需要注意的是，PWM 輸出的頻率與載波頻率相同。占空比是表征信號值在一段時(shí)間內為 1 的比例的數字。例如，如果脈沖是對稱(chēng)的，則信號的一半為 1，一半為 0，因此占空比為 50 % 或 0.5。在 PWM 的情況下，雖然頻率是恒定的，但占空比會(huì )發(fā)生變化。

我們可以注意到，當輸入信號最大時(shí)，PWM 占空比趨于1，反之，當輸入信號最小時(shí)，則趨于0。因此，PWM 的占空比與正弦信號的原始形狀直接相關(guān)。這一確認確實(shí)可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的算法來(lái)確認，該算法獨立地平均每個(gè)周期的 PWM 輸出，結果繪制并顯示在圖 4中：

圖 4：PWM 信號的平均操作

從圖中可以清楚地看出，當對 PWM 信號進(jìn)行平均時(shí)，原始信號的正弦形狀又出現了。在實(shí)際電路中，此操作由過(guò)濾器完成，我們將在“過(guò)濾”部分中看到。

放大

由于通常選擇載波信號，例如其頻率遠高于輸入信號，因此要放大的 PWM 輸出可以高于基于 BJT 的放大器的高截止頻率（請參閱頻率響應教程）。這就是為什么高頻MOS 晶體管比經(jīng)典的基于雙極的放大器更適合 D 類(lèi)放大的原因。

在 D 類(lèi)放大器中，一個(gè) NMOS 和一個(gè) PMOS 以推挽配置連接，如圖 5所示：

圖 5：放大級的推挽配置

與B 類(lèi)放大器一樣，互補晶體管的偏置方式是 NMOS 僅放大正半波，PMOS 僅放大負半波。這個(gè)放大級也被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)級，因為晶體管的行為就像開(kāi)關(guān)一樣：它們要么完全開(kāi)啟（短路），要么完全關(guān)閉（開(kāi)路）。

過(guò)濾

為了恢復信號的原始正弦形狀，放大后的脈沖信號必須經(jīng)過(guò)濾波器處理。這個(gè)過(guò)濾器應該遵守一些條件：

抑制高于放大器正常帶寬（中頻）的高頻，特別是載波頻率及其諧波。

以良好的增益再現放大器的中頻。例如，音頻放大器為 20 Hz – 20 kHz。

實(shí)現中頻的最大平坦頻帶。

這種濾波器通常稱(chēng)為巴特沃斯濾波器。用于滿(mǎn)足這些要求的典型濾波器是并聯(lián) LC 電路。當與負載 R L并聯(lián)時(shí)，它實(shí)際上可以看作是一個(gè) RLC 濾波器。

圖 6：低通 L//C 濾波器

該濾波器的帶寬的特征在于其在 -3 dB 處的截止頻率 f c滿(mǎn)足公式 1：

eq 1 : 低通濾波器的截止頻率

此外，由于 RLC 電路是二階濾波器，因此在 f c上方觀(guān)察到-40 dB/dec的強烈滾降。該濾波器的頻率響應的漸近圖如圖 7 所示：

圖 7：二階巴特沃斯濾波器頻率響應

多級并行 LC 配置值得贊賞，因為每個(gè)級別都會(huì )增加過(guò)濾器的階數，從而提高過(guò)濾質(zhì)量。在圖 8中，我們可以注意到應用于我們示例的一階或二階巴特沃斯濾波器的輸出結果之間的差異：

圖 8：一階和二階巴特沃斯濾波器的輸出差異

由于輸入信號的頻率為 2 Hz，載波頻率為 20 Hz，因此該濾波器選擇了 4 Hz 的截止頻率。我們可以強調一個(gè)事實(shí)，即一階濾波器是不合適的，因為它不會(huì )充分衰減載波頻率，而二階濾波器的輸出則更加正弦。

效率

D類(lèi)放大器的原始工作方式使其效率達到非常高的水平。晶體管的行為幾乎與理想開(kāi)關(guān)一樣，這一事實(shí)解釋了這種高效率：

當它們關(guān)閉時(shí)，沒(méi)有電流 I DS在漏極和源極之間流動(dòng)。

當它們打開(kāi)時(shí)，在漏極和源極上沒(méi)有觀(guān)察到電壓 V DS 。

因此，沒(méi)有功率 V DS ×I DS以損耗（熱）的形式耗散。通常 D 類(lèi)放大器的效率在90% 以上。

結論

D 類(lèi)放大器的工作方式與其他典型類(lèi)（A、B、C）非常不同。它們確實(shí)是高度非線(xiàn)性的，并包含特殊模塊來(lái)處理信號。

要完成的第一個(gè)操作稱(chēng)為脈沖寬度調制 (PWM)，包括將輸入信號與高頻三角信號進(jìn)行比較。無(wú)論輸入高于還是低于載波，都會(huì )生成一個(gè)稱(chēng)為 PWM 輸出的新信號，該信號由與載波頻率相同但占空比可變的矩形信號組成。該信號與正弦輸入的原始形狀直接相關(guān)。

在返回正弦信號之前，由推挽配置中的兩個(gè)互補 NMOS 和 PMOS 制成的開(kāi)關(guān)級放大 PWM 輸出。晶體管的特殊性在于它們在完全開(kāi)啟或關(guān)閉之間切換，并且它們永遠不會(huì )在其線(xiàn)性區域內工作。

使用這個(gè)放大的脈沖信號，最后一級由 L//C 電路組成，充當巴特沃斯濾波器以恢復原始正弦形狀。正確設置截止頻率以消除載波頻率及其相關(guān)諧波非常重要。此外，最好使用高階巴特沃斯濾波器，以盡可能避免失真。

最后，我們注意到該放大器的效率明顯高于典型類(lèi)別，因為晶體管的開(kāi)關(guān)行為可實(shí)現低功耗。這一事實(shí)在D 類(lèi)放大器的設計中是一個(gè)很大的優(yōu)勢：它們不需要笨重的散熱器。

由于其眾多優(yōu)勢，D 類(lèi)放大器可以在許多日常應用中找到：手機和許多音頻設備，如耳機、汽車(chē)收音機等……