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D类提高音频放大器的效率

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:371

d 类采用脉宽调制 (pwm) 信号取代ab 类放大器通常采用的线性信号。pwm 信号包括音频信号以及pwm开关频率与谐波。d 类音频放大器比ab 类放大器效率高得多,因为输出mosfet 可从极高阻抗转变为极低阻抗,从而在作用区操作只有几纳秒。利用上述技术,输出级上损失的功率极低。此外,lc 过滤器或扬声器的感应元件在各周期还能存储能量,并可确保切换功率不会在扬声器中损失。

引言


尽管d 类放大器推出已经有一段时间了,但许多人仍不理解d 类放大器工作的基本原理,也不明白其为什么会提供更高效率。本文将解释脉宽调制 (pwm) 信号是如何创建的,以及说明您听到的是音频频率而非pwm波形的开关频率。本文将详细说明输出pwm波形为什么比输出线性波形效率高很多,还将说明为什么某些d类放大器要求lc过滤器,而某些则不需要。

b> d 类输出信号 (pwm) 如何包含音频信号?

tpa3001d1结构图(见图1)有助于解释pwm信号是如何形成的。首先,模拟输入d 类采用前置放大器获得输入音频信号,并确保差动信号。随后,积分器级 (integrator stage) 可低通过滤音频信号以实现抗失真与稳定性。音频信号而后与三角波相比较,以创建脉宽调制 (pwm)信号。门驱动电路系统采用 pwm 驱动输出fet,其将在输出端创建高电流pwm信号。

图1:tpa3001d1结构图。

图2显示了典型的pwm信号是如何从图1中的比较器功能块形成的。可将音频输入与250-khz的三角波相比较。当音频输入电压大于250-khz三角波电压时,非反相比较器输出状态为高,而当250-khz三角波大于音频信号时,非反相比较器输出状态为低。非反相比较器输出为高时,反相比较器输出为低;而当非反相比较器输出为低时,反相比较器输出为高。平均 pwm非反相输出电压vout+(avg) 为忙闲度乘以电源电压,此外d表示忙闲度,或"开启"时间t(on) 除以总周期 t。

vout+(avg) = d * vcc (1)

d = t(on) / t (2)

反相输出的忙闲度vout- 与vout+为1。如输入只有一半,则vout- 与vout+1的忙闲度为0.5。

vout-(avg) = (1-d) * vcc (3)

图2:比较器的输入与典型d 类放大器的pwm输出

tpa3001d1与tpa3002d2均采用 tpa2005d1中无过滤器的调制方案。利用这种调制方案,正输出vout+ 与典型d 类pwm 相同,但负输出vout- 并不完全与 vout+ 相反。在这种情况下,就有两个比较器,并且正积分器输出与三角波相比较可创建 vout+ 的 pwm,而积分器的负输出则与三角波相比较则可创建vout- 的 pwm。图3显示了用于无过滤器调制方案的比较器输入与pwm输出,这里我们假定音频信号为dc电压,因为音频信号的频率比250 khz的三角波低很多。图3还显示了差动输出电压。


图3:tpa3001d1 与 tpa3002d2 输入输出与pwm

图4显示了带有20 khz 音频输入信号的tpa3001d1 pwm输出。请注意忙闲度是怎样随输入电压增加而增加的。

图4:显示输入信号、输出前过滤器以及输出后过滤器的(正弦波与pwm)作用域图示

pwm波形中的音频信号在频域中要容易发现得多。pwm信号由输入频率、开关频率以及开关频率加边频带的谐波构成。图5显示了振幅对输入的频率、pwm输出以及经过滤的输出。图5还显示了音频信号如何从pwm中通过低通过滤提取出来。已过滤的输出具备1 khz正弦波频率组件,任何作为失真出现于音频带中的1 khz谐波,以及任何从开关频率中遗留的纹波电压。扬声器不能复制开关频率及其谐波,即便扬声器可以复制,耳朵也听不到。如果将经过滤与未过滤的pwm信号都直接发送给扬声器的话,听者不会发现图5中二者间的差别。

显示输入信号、输出前过滤器以及输出后过滤器的

d 类采用脉宽调制 (pwm) 信号取代ab 类放大器通常采用的线性信号。pwm 信号包括音频信号以及pwm开关频率与谐波。d 类音频放大器比ab 类放大器效率高得多,因为输出mosfet 可从极高阻抗转变为极低阻抗,从而在作用区操作只有几纳秒。利用上述技术,输出级上损失的功率极低。此外,lc 过滤器或扬声器的感应元件在各周期还能存储能量,并可确保切换功率不会在扬声器中损失。

引言


尽管d 类放大器推出已经有一段时间了,但许多人仍不理解d 类放大器工作的基本原理,也不明白其为什么会提供更高效率。本文将解释脉宽调制 (pwm) 信号是如何创建的,以及说明您听到的是音频频率而非pwm波形的开关频率。本文将详细说明输出pwm波形为什么比输出线性波形效率高很多,还将说明为什么某些d类放大器要求lc过滤器,而某些则不需要。

b> d 类输出信号 (pwm) 如何包含音频信号?

tpa3001d1结构图(见图1)有助于解释pwm信号是如何形成的。首先,模拟输入d 类采用前置放大器获得输入音频信号,并确保差动信号。随后,积分器级 (integrator stage) 可低通过滤音频信号以实现抗失真与稳定性。音频信号而后与三角波相比较,以创建脉宽调制 (pwm)信号。门驱动电路系统采用 pwm 驱动输出fet,其将在输出端创建高电流pwm信号。

图1:tpa3001d1结构图。

图2显示了典型的pwm信号是如何从图1中的比较器功能块形成的。可将音频输入与250-khz的三角波相比较。当音频输入电压大于250-khz三角波电压时,非反相比较器输出状态为高,而当250-khz三角波大于音频信号时,非反相比较器输出状态为低。非反相比较器输出为高时,反相比较器输出为低;而当非反相比较器输出为低时,反相比较器输出为高。平均 pwm非反相输出电压vout+(avg) 为忙闲度乘以电源电压,此外d表示忙闲度,或"开启"时间t(on) 除以总周期 t。

vout+(avg) = d * vcc (1)

d = t(on) / t (2)

反相输出的忙闲度vout- 与vout+为1。如输入只有一半,则vout- 与vout+1的忙闲度为0.5。

vout-(avg) = (1-d) * vcc (3)

图2:比较器的输入与典型d 类放大器的pwm输出

tpa3001d1与tpa3002d2均采用 tpa2005d1中无过滤器的调制方案。利用这种调制方案,正输出vout+ 与典型d 类pwm 相同,但负输出vout- 并不完全与 vout+ 相反。在这种情况下,就有两个比较器,并且正积分器输出与三角波相比较可创建 vout+ 的 pwm,而积分器的负输出则与三角波相比较则可创建vout- 的 pwm。图3显示了用于无过滤器调制方案的比较器输入与pwm输出,这里我们假定音频信号为dc电压,因为音频信号的频率比250 khz的三角波低很多。图3还显示了差动输出电压。


图3:tpa3001d1 与 tpa3002d2 输入输出与pwm

图4显示了带有20 khz 音频输入信号的tpa3001d1 pwm输出。请注意忙闲度是怎样随输入电压增加而增加的。

图4:显示输入信号、输出前过滤器以及输出后过滤器的(正弦波与pwm)作用域图示

pwm波形中的音频信号在频域中要容易发现得多。pwm信号由输入频率、开关频率以及开关频率加边频带的谐波构成。图5显示了振幅对输入的频率、pwm输出以及经过滤的输出。图5还显示了音频信号如何从pwm中通过低通过滤提取出来。已过滤的输出具备1 khz正弦波频率组件,任何作为失真出现于音频带中的1 khz谐波,以及任何从开关频率中遗留的纹波电压。扬声器不能复制开关频率及其谐波,即便扬声器可以复制,耳朵也听不到。如果将经过滤与未过滤的pwm信号都直接发送给扬声器的话,听者不会发现图5中二者间的差别。

显示输入信号、输出前过滤器以及输出后过滤器的

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