D类功率放大器的设计与仿真(3)

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载RL，同时向C充电；在信号的正半周，V2导电，则已充电的电容?C?起着电源—Vcc的作用，通过负载?RL?放电。只要选择时间常数RLC足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源Vcc可代替原来的+Vcc和—Vcc两个电源的作用。

工作于甲乙类状态的功率输出级的单电源互补对称电路如图2-5所示。 通过上面的讨论不难看出，在对失真要求不是很高的场合，提高效率，减小功率管的温升是功率放大器设计首先要考虑的事情。而考虑的方法则是将功率管的静态工作点进一步下移。

2.1.4 D类(模拟开关式)功率放大器

由以上各类功率放大器可知，传统的音频功率放大器A类(甲类)、B类（乙类）和AB类（甲乙类）存在着很多缺点。A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过，它的优点是输出信号的失真比较小，缺点是输出信号的动态范围比较小，效率低。而B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50%,它的优点是在理想情况下效率可达78.5%，但缺点是会产生交越失真，增加噪声。而AB类功率放大器是以上两种放大器的结合，每个功率放大器件的导通时间在50%~100%之间，兼有A类失真小和?B?类效率高的特点，但其工作效率只介于二者之间。因此传统音频功率放大器效率偏低，体积偏大的缺点与音频功率放大器高效、节能和小型化的发展趋势的矛盾，催生了D类音频功率放大器的出现和发展。D类功率放大器是数字功放，也可称为开关功放或PWM（脉宽调制）功放，工作于开关状态，工作基于PWM模式：将音频信号与采样频率比较，经过自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波，然后经过驱动电路，加到 功率MOS的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的PWM信号送入滤波器，则还原为音频信号。此类音频功率放大器理论效率可达100%，实际的运用也可达80%以上。正是由于D类放大器的效率高，100瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，连电路板可作的很小，大大减少了体积重量。并且由于工作比音频高10余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响很小。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。功率MOS有自我保护电路，可以大大简化保护电路，而且不会引入非线形失真。D类功放是一项意义深远的创新技术，具有广阔的发展前景，并对消费电子产生巨大的冲击作用。由于其具有效率高，功耗低的优点，采用D类音频功率放大器的设备能够提高电池的寿命，它特别适合应用于无线和手持通信设备，主要应用

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在PDA、移动电话和类似的手持移动通信工具的设计和产品中。而大功率输出的音频设备具有很大的功耗，所以在大功率输出的音频设备中采用低功耗的D类音频功率放大器也是十分必要的，特别在集成了高质量音频性能和扩展了混合能力的同时实现了低功耗。总之，PWM机的最大优势在于他的高效率。散热设施无需特别处理，结构严谨，性能稳定，使用寿命长。低频性能特别好，这对混响效果很差的露天音乐场所来说尤其重要。一般的音响设备中频特性好，但从人耳的对声音响度的感觉来看，低频远不如中频，要使听到的声音柔韧、丰满、有弹性，就必须加强低音。PWM功率放大器能做到这一点。

3信号脉宽调制

3.1正弦脉冲宽度调制

PWM(PulseWidthModulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。

图3-1 形状不同而冲量相同的各种窄冲波

根据采样控制理论中的冲量等效原理:大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于 惯性系统时，只要它们的冲量（即变量对时间的积分）相等，其作用效果相同，且脉冲越窄，输出的差异越小。这一结论表明，惯性系统的输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关。图3-1给出了几种典型的、形状不同而冲量相同的窄脉冲，图3-1（a）所示的为矩形脉冲，图3-1（b）所示的为三角脉冲，图3-1（c）所示的为正弦半波脉冲，它们的面积（冲量）均相同，当它们分别作用在同一个惯性系统上时，其输

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出响应相同。图3-1形状不同而冲量相同的各种窄冲波

依据上述原理，可将任意波形用以一系列冲量与之相等的窄脉冲进行等效。

如图3-所示，以正弦波为例，将一正弦波的正半波k等分（图中，k=7），其中每一

等分所包含的面积（冲量）均用一个与之面积相等的、等幅而不等宽的矩脉

冲替

代，且使每个矩形脉冲的中心线和等分点的中线重合，如此，则各个矩形脉

冲宽度

将按正弦规律变化。这就是正弦脉冲宽度调制

（sinusoidalpulse?width?modulation，简

称SPWM）控制的理论依据。由此得到的矩形脉冲序列为SPWM序列。 如图3-2所示，将正弦波在一个周期内N等份（N为偶数），其中每一等份时 间间隔均为2p/N。按冲量等效原理，正弦波在每一等分所包含的面积，都用 一矩形脉冲与

图3-2 与正弦波等效的矩形脉冲序列波形

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之等效。

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设正弦波的幅值为Vm,等效矩形波形的幅值为V Vm,则各等效矩形脉冲的 度

以上的公式表明，有冲量等效的原理得出的等效脉冲宽度di与分段位置中心角 bi的正弦值成正比。同理，以音频信号为调制波，高频三角波为载波，经比较即可得到占空比随音频幅度规律变化的?PWM?信号。三角波的频率f V与正弦波的频率f之

图3-3正弦波与三角波调制

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上式说明：当载波比N固定，而大于20以上时，在比较器输出产生的矩形脉冲 宽度正比于分段中心角bi的正弦值。

3.2音频信号宽度调制

信号有确定型信号和随机信号之分，凡是瞬时值与时间之间存在确定的函数关 系的信号都属于确定性信号。例如，我们熟知的正弦信号、指数信号、抽样信号、高斯函数信号、脉冲序列信号以及一些奇异函数信号都是确定型信号。有一些信号虽然不能用一个精确的函数表达式来表述信号的特性和变化规律，但是，可以用波形图来表示，它的任一时刻，都有确定的函数值与该时刻对应，这种信号也属于确定性信号或规则信号。语音、音乐、干扰和噪声等信号，都有一个共同的特点，那就是它们都具有未可预知的不确定性，因而它们均不属于确定性信号，而属于随机信号或不确定信号。确定性信号的幅度、函数值都是可预知的，因而，确定性信号几乎不能包含什么信息。而瞬息万变的随机信号则包含了巨大的信息量，人们可以从其中获得很多新的消息。随机信号也会表现为一定的确定性，例如：乐音表现为某种周期性变化的波形。因此，前一章中对确定性信号的脉宽调制特性的研究，同样可应用于对随机信号的脉

3.2.1语音信号的时域分析

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