D類放大器

2022-03-15

D類放大器

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

因此，為了實現 100% 的效率，需要趨于 0° 的導通角。然而，正如我們在C 類放大器中看到的那樣，這無法實現，因為沒有向負載供電。

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

D類放大的介紹

D類放大器通常由三個不同的模塊組成：調制器、開關級和低通濾波器。信號路徑以及這些不同模塊的順序如下圖 1所示：

圖 1：D 類放大器的流程圖

雖然經典放大器接受正弦信號作為輸入，但 D 類放大器之前通過調制器將其轉換為矩形信號。我們將在專用部分中看到，圖 1中提出的關于調制的觀點被過度簡化了。

由于晶體管，開關級是進行放大的地方。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，使用低通濾波器來恢復信號的正弦形狀。此外，這個最后階段消除了在放大過程中可能產生的不合需要的諧波。

調制

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

圖 2：PWM 調制器的原理

該技術包括將輸入正弦信號與通常稱為從獨立發生器獲得的載波的高頻三角信號進行比較。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。

通過在這兩個信號之間進行以下比較來獲得調制器的輸出：

如果正弦高于載波信號，則輸出等于 1

否則，輸出等于 0

在本教程的過程中，將通過使用 MatLab ? 軟件繪制放大的每個步驟來跟蹤信號的轉換。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間內為 1 的比例的數字。例如，如果脈沖是對稱的，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，但占空比會發生變化。

我們可以注意到，當輸入信號最大時，PWM 占空比趨于1，反之，當輸入信號最小時，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。這一確認確實可以通過一個簡單的算法來確認，該算法獨立地平均每個周期的 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 信號進行平均時，原始信號的正弦形狀又出現了。在實際電路中，此操作由過濾器完成，我們將在“過濾”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 晶體管比經典的基于雙極的放大器更適合 D 類放大的原因。

在 D 類放大器中，一個 NMOS 和一個 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。這個放大級也被稱為開關級，因為晶體管的行為就像開關一樣：它們要么完全開啟（短路），要么完全關閉（開路）。

過濾

為了恢復信號的原始正弦形狀，放大后的脈沖信號必須經過濾波器處理。這個過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。

實現中頻的最大平坦頻帶。

這種濾波器通常稱為巴特沃斯濾波器。用于滿足這些要求的典型濾波器是并聯 LC 電路。當與負載 R L并聯時，它實際上可以看作是一個 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，因為每個級別都會增加過濾器的階數，從而提高過濾質量。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。我們可以強調一個事實，即一階濾波器是不合適的，因為它不會充分衰減載波頻率，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關一樣，這一事實解釋了這種高效率：

當它們關閉時，沒有電流 I DS在漏極和源極之間流動。

當它們打開時，在漏極和源極上沒有觀察到電壓 V DS 。

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

結論

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

要完成的第一個操作稱為脈沖寬度調制 (PWM)，包括將輸入信號與高頻三角信號進行比較。無論輸入高于還是低于載波，都會生成一個稱為 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。

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

使用這個放大的脈沖信號，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別，因為晶體管的開關行為可實現低功耗。這一事實在D 類放大器的設計中是一個很大的優勢：它們不需要笨重的散熱器。

由于其眾多優勢，D 類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、汽車收音機等……