D类放大器

2022-03-15

D类放大器

基于高导通角的放大器可提供非常好的线性度，例如A 类放大器，但效率非常有限，通常约为 20% 至 30%。随着导通角的减小，可以达到高效率，例如使用C 类放大器。

因此，为了实现 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，因为没有向负载供电。

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。第一部分介绍了 D 类放大器的简化架构及其一般功能。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为输入，但 D 类放大器之前通过调制器将其转换为矩形信号。我们将在专用部分中看到，图 1中提出的关于调制的观点被过度简化了。

由于晶体管，开关级是进行放大的地方。我们在处理此阶段的部分中详细介绍了晶体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能产生的不合需要的谐波。

调制

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

图 2：PWM 调制器的原理

该技术包括将输入正弦信号与通常称为从独立发生器获得的载波的高频三角信号进行比较。为了符合香农定理，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 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，频率为 2 Hz 的输入信号与频率为 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为 1 的比例的数字。例如，如果脉冲是对称的，则信号的一半为 1，一半为 0，因此占空比为 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出现了。在实际电路中，此操作由过滤器完成，我们将在“过滤”部分中看到。

放大

由于通常选择载波信号，例如其频率远高于输入信号，因此要放大的 PWM 输出可以高于基于 BJT 的放大器的高截止频率（请参阅频率响应教程）。这就是为什么高频MOS 晶体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，互补晶体管的偏置方式是 NMOS 仅放大正半波，PMOS 仅放大负半波。这个放大级也被称为开关级，因为晶体管的行为就像开关一样：它们要么完全开启（短路），要么完全关闭（开路）。

过滤

为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。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，音频放大器为 20 Hz – 20 kHz。

实现中频的最大平坦频带。

这种滤波器通常称为巴特沃斯滤波器。用于满足这些要求的典型滤波器是并联 LC 电路。当与负载 R L并联时，它实际上可以看作是一个 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 电路是二阶滤波器，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

多级并行 LC 配置值得赞赏，因为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，我们可以注意到应用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为 2 Hz，载波频率为 20 Hz，因此该滤波器选择了 4 Hz 的截止频率。我们可以强调一个事实，即一阶滤波器是不合适的，因为它不会充分衰减载波频率，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。晶体管的行为几乎与理想开关一样，这一事实解释了这种高效率：

当它们关闭时，没有电流 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观察到电压 V DS 。

因此，没有功率 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典型类（A、B、C）非常不同。它们确实是高度非线性的，并包含特殊模块来处理信号。

要完成的第一个操作称为脉冲宽度调制 (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，都会生成一个称为 PWM 输出的新信号，该信号由与载波频率相同但占空比可变的矩形信号组成。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。晶体管的特殊性在于它们在完全开启或关闭之间切换，并且它们永远不会在其线性区域内工作。

使用这个放大的脉冲信号，最后一级由 L//C 电路组成，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，最好使用高阶巴特沃斯滤波器，以尽可能避免失真。

最后，我们注意到该放大器的效率明显高于典型类别，因为晶体管的开关行为可实现低功耗。这一事实在D 类放大器的设计中是一个很大的优势：它们不需要笨重的散热器。

由于其众多优势，D 类放大器可以在许多日常应用中找到：手机和许多音频设备，如耳机、汽车收音机等……