【正文】 開(kāi)關(guān)得占空比，使每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中開(kāi)關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參量。同時(shí)，由于輔助放大器工作頻率很高，動(dòng)態(tài)范圍寬，因此整個(gè)放大器得動(dòng)態(tài)性能也得到改善。由于輔助放大器只補(bǔ)償紋波電壓，工作電壓低，因此開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到很高。為了克服直接串聯(lián)電壓源或并聯(lián)電流壓源帶來(lái)的功率損耗，采用輔助丁類(lèi)放大器作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償源，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓以消除輸出紋波方案，該方案原理框圖見(jiàn) 4－ 6所示。在丁類(lèi)放大器中，由于變換器的非線性工作方式，輸出信號(hào)含有大量的紋波。這種雙環(huán)反饋方式可改善放大器帶寬，提高放大器效率。由于積分器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)低通濾波器，因此可衰減反饋信號(hào)中的高頻載波成分，增加低頻反饋量，特別是直流成分，從而有效改善零輸入時(shí)的占空比誤差（由于輸入信號(hào)直流電平與比較器門(mén)限電壓的差 異所形成）。假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)控制模型如圖 4－ 5 所示，諧波失真 Vn在傳遞函數(shù) Hff后被引入： 開(kāi)環(huán)控制時(shí)，輸出 Vout1=HffVin+ Vn 式 4－ 4 THD1＝ /(HffVin) 式 4－ 5 假設(shè)閉環(huán)控制時(shí)的反增益位 G，建立丁類(lèi)放大器閉環(huán)控制模型如圖 4－ 5所示，則輸出 Vout2=HfbVin/(1+HfbG)+Vin/(1+Hfb) 式 4－ 6 令 Hff＝ Hfb/(1+HfbG),則等式 4－ 4調(diào)整為： Vout2=HffVin +Vn/(1+HfbG) 式 4－ 7 安徽理工大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 THD2＝ /(HffVin(1+HfbG) 式 4－ 8 比較等式 4－ 5 和 4－ 8 可以看出，閉環(huán)控制時(shí) THD 為開(kāi)環(huán)控制時(shí) THD 的 1/(1+HfbG),即閉環(huán)控制改善了放大器的 THD。 雙邊調(diào)制的 UPWM 信號(hào)傅立葉分解如下： 采樣率 r N 位 PCM 音頻 信號(hào) 數(shù) 字 信 號(hào) 處 理 數(shù)字時(shí)鐘 (PLL)f=2n * r N 位計(jì)數(shù)器 N 位比較器 (上升沿 ) N 位比較器 (下降沿 ) N 位下降沿?cái)?shù)據(jù) N 位上升沿?cái)?shù)據(jù) RS 觸 發(fā) 器 PWM 輸出 圖 4－ 4 PCM— PWM 變換器框圖 安徽理工大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 F(t)=k+ sin[n(1 )π /2]cos(nω vtπ nω v/ω c)+ Sin((m+n(1ω v/ω c))π /2)* cos(nω vt+mω ctπ nω v/ω c) （式 4－ 3） 從式 4－ 2和 4－ 3可以看出雙邊調(diào)制 UPWM 與單邊調(diào)制 UPWM 頻譜成分相同，但信號(hào)諧波的幅值衰減與單邊調(diào)制要快得多。 PCM— PWM 變換也分為單邊調(diào)制和雙邊調(diào)制，采用那種調(diào)制可通過(guò)編制 DSP軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)字式放大器同傳統(tǒng)的模擬放大器相比，具有效率高、抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)需 D/A變換環(huán)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。通常，要求載波頻率高出音頻帶寬 10 倍以上。因此應(yīng)盡可能提高載波頻率，減 小邊帶信號(hào)失真的同時(shí)盡可能簡(jiǎn)化濾波器的設(shè)計(jì)，減小濾波器體積。以單邊調(diào)制為例，設(shè)載波角頻率為 ω c， PWM 波形幅值為單位 1，對(duì)信號(hào) Mcosωvt 的 NPWM 波形進(jìn)行傅立葉分解，表達(dá)式如下： F(t)= k + cosω vt + sin(m ωct 2mπk) sin( mωct + nωvt 2mπk ) （式 4－ 1） 式中 k為鋸齒波的平均幅值， Jn 表示第一類(lèi)貝賽耳函數(shù)。調(diào)制原理見(jiàn)圖 4－ 3 所示，從圖中可以看出，自然采樣的輸出波形在信號(hào)與比較波形的交點(diǎn)時(shí)刻發(fā)生變化。 安徽理工大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 自然采樣 PWM(NPWM) NPWM 是一種模擬 PWM 方式，它將模擬音頻信號(hào) 或數(shù)字音頻信號(hào)經(jīng) D/A變換后得到的模擬信號(hào)與載波進(jìn)行比較，得到 PWM 波形。雖然這些改進(jìn)控制方式能提高丁類(lèi)放大器的保真度，但各自也存在缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，常采用噪聲整形技術(shù)，在盡量少的降低信噪比的情況下 ，減少數(shù)字音頻信號(hào)的位數(shù)。人們提出了用具有高開(kāi)關(guān)頻率的輔助丁類(lèi)放大器作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償源，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓以消除輸出文伯，改善放大器的動(dòng)態(tài)性能和整體效率，降低主電路開(kāi)關(guān)工作頻率；還有的提出通過(guò)新穎的反饋控制改善放大器的 THD、效率和帶寬。另外， UPWM 由于控制方式 本省的缺陷，輸出中將含有信號(hào)諧波，失真較大。習(xí)慣上，將模擬 PWM控制的丁類(lèi)放大器稱(chēng)為模擬式丁類(lèi)放大器，將數(shù)字 PWM控制的丁類(lèi)放大器成為數(shù)字式丁類(lèi)放大器。按照 PWM調(diào)制的工作原理，分為模擬 PWM調(diào)制器的工作原理，分為模擬 PWM 調(diào)制器和數(shù)字 PWM調(diào)制器兩大類(lèi)。另外，開(kāi)光功率放大器的控制方式也是影響其性能的關(guān)鍵因素。 丁類(lèi)音頻功率放大器的控制方式 丁類(lèi)放大器雖然具有很高的效率，隨著技術(shù)的發(fā)展保真度也得到很大的改善，但由于功率晶體管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)工作方式，丁類(lèi)音頻功率放大器的保真度仍低于線性放大器。其中 in 端為音頻信號(hào)輸入端， a端接取絕對(duì)值電路的輸入端， b接過(guò)零比較器的輸入端。本設(shè)計(jì)的輸入級(jí)為一同相放大電路，放大倍數(shù)為 2。 安徽理工大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 第四章 丁類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)計(jì) 丁類(lèi)音頻功率放大器的整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 圖 4－ 1 丁類(lèi)音頻放大器的整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖 4－ 1，它由輸入級(jí)、取絕對(duì) 值電路、電平匹配、 PWM 控制器、過(guò)零比較器、光電隔離、整形與驅(qū)動(dòng)電路、半橋式功放輸出級(jí)、低通濾波器和揚(yáng)聲器等組成。目前最流行的方法是安徽理工大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 以 dsp 為核心的數(shù)字音頻處理技術(shù)。而且，一般電子開(kāi)關(guān)器件的和關(guān)斷均需要一定的時(shí)間，即使是對(duì)于開(kāi)關(guān)速度較快的MOSFET，其開(kāi)關(guān)時(shí)間為 10ns 級(jí)，因此，即使是輸出橋的開(kāi)關(guān)控制可以達(dá)到如此高 的精度，電子器件也無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的輸出如此小的脈沖間隔。在音頻領(lǐng)域，將輸入 的數(shù)字編碼轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)輸出橋的控制信號(hào)，是一個(gè)非常復(fù)雜的數(shù)字處理過(guò)程。這種用于音頻領(lǐng)域的數(shù)字輸入丁類(lèi)功率放大器，其結(jié)構(gòu)如圖 3－ 3所示，與圖 3－ 2所描述的丁類(lèi)功率放大器的結(jié)構(gòu)略又不同，其輸入信號(hào)為數(shù)字編碼信號(hào)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理后，轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)輸出橋的脈沖調(diào)制信號(hào)。應(yīng)用于音頻領(lǐng)域的丁類(lèi)功率放大器直接 將數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)輸出橋的開(kāi)關(guān)信號(hào)，由于數(shù)字信號(hào)較模擬信號(hào)具有較高的抗干擾能力，能有效的抑制信號(hào)傳輸過(guò)程中環(huán)境噪聲的影響，因此丁類(lèi)功放具有誘人的前景。目前，在音頻領(lǐng)域，為了忠實(shí)的記錄原始的音頻信號(hào)，軟件的制作已實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，即“ DDD”（數(shù)字錄音、數(shù)字混響、數(shù)字壓縮），而在音源的重放技術(shù)上，即硬件系統(tǒng)上，目前僅實(shí)現(xiàn)了“ DDA”（數(shù)字音源、模擬功放、模擬音箱）。 安徽理工大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 在丁類(lèi)功率放大器的發(fā)展過(guò)程中，丁類(lèi)功率放大器最活躍的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是數(shù)字音頻功放領(lǐng)域。 單片機(jī)在實(shí)時(shí)控制中具有控制靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。 數(shù)字電路組成的脈寬調(diào)制器 用數(shù)字電路組成 的脈寬調(diào)制器包括兩種，一種是將事先按最佳 PWM 波形計(jì)算好在每個(gè)頻率下的開(kāi)關(guān)點(diǎn)，通過(guò)編碼的形式存入 ROM（或 EPROM）中，用簡(jiǎn)單的讀寫(xiě)和譯碼電路讀出 ROM 中的內(nèi)容，就可以產(chǎn)生特定的 PWM波形，這種 PWM 控制方式只適合于輸出確定波形的控制，不適用于丁類(lèi)功率放大器。也可以使用集成模擬電路來(lái)組成這樣一個(gè)系統(tǒng)，隨著集成電路的不斷發(fā)展，現(xiàn)在出現(xiàn)了越來(lái)越多的 PWM專(zhuān)用集成電路，如 SG3524,TL5001 等。 C、當(dāng) ui0時(shí)，則是開(kāi)關(guān)管 T1截止，而 T2 工作在開(kāi)關(guān)（脈沖）狀態(tài)，其脈沖占空比δ正比于 ui。 安徽理工大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 模擬電路組成的脈寬調(diào)制器 用模擬電路組成的脈寬調(diào)制器一般都是根據(jù)自然才樣定理（此時(shí)輸入信號(hào)為模擬信號(hào)），用載波（三角波）和調(diào)制波（模擬輸入信號(hào)）比較，由其交點(diǎn)確定的脈沖序列即為控制開(kāi)關(guān)管的 PWM 序列。 丁類(lèi)功率放大器 的原理圖如下 : 如圖 3－ 1，輸入信號(hào)為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，通過(guò) PWM脈寬調(diào)制，產(chǎn)生半橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)，脈寬調(diào)制方法可以為自然采樣法、規(guī)則采樣法等。在開(kāi)關(guān)模式中，開(kāi)關(guān)元件工作于截止區(qū)和飽和區(qū)，元件的損耗很小，只是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，要經(jīng)過(guò)線性放大區(qū)，有一定的開(kāi)關(guān)損耗（這與開(kāi)關(guān)頻率、元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間等因素有關(guān)），因此丁類(lèi)功率放大器具有很高的頻率。然后將開(kāi)關(guān)管的輸出 經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，濾除開(kāi)關(guān)次及其倍數(shù)次頻率周?chē)母叽沃C波，獲得放大的輸出信號(hào)。自進(jìn)入80 年代以來(lái)，隨著電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型全控型器件，如 IGBT和 MOSFET 等，電子器件的開(kāi)關(guān)頻率也大大提高，丁類(lèi)功率放大器又受到人們的重視。早期的丁類(lèi)功率放大器主要應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)合，盡管丁類(lèi)功率放大器具有效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是受當(dāng)時(shí)電子器件開(kāi)光特性的限制，丁類(lèi)功率放大器的波形畸變嚴(yán)重。 4. 輸入靈敏度 :使音頻放大器輸出額定功率時(shí)所需的輸入電壓（有效值）稱(chēng)為靈敏度。 ： 放大器的電壓增益相對(duì)于中音頻 fO（ 1KHZ）的電壓增益下降 3dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)的低音音頻 fL和高音音頻 fH稱(chēng)為放大器的頻率相應(yīng)。 功率放大器的技術(shù)指標(biāo) ： 音頻放大器輸出失真小于某一數(shù)值（ r1％）最大功率稱(chēng)為額定功率。 正是由于丁類(lèi)功率放大器的效率高， 100 瓦輸出的設(shè)備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個(gè)平方厘米，連電路板可做的很小，大大減少了體積重量。 丁類(lèi)放大器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)信號(hào)時(shí)無(wú)電流，而導(dǎo)通時(shí)沒(méi)有直流損耗。 圖 244 AB 類(lèi)放大和 B 類(lèi)放大 Ic Vbe 圖 245 丙類(lèi)放大，僅必要導(dǎo)通時(shí)間設(shè)定 Vb Vb t Vce VcQ Vbe Q Ic Ic 安徽理工大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 如果輸入波形邊沿很陡峭，降低工作點(diǎn)后，對(duì)導(dǎo)通角影響很小，那么失真劣化不大而效率又可以提高。因此，要提高效率則應(yīng)降低工作點(diǎn)，使無(wú)信號(hào)時(shí)，無(wú)直流損耗。 由以上各類(lèi)放大器介紹可知，影響放大器效率的基本因素是無(wú)信號(hào)時(shí)的工作電流所形成的直流功率損耗。集電極輸出半個(gè)正弦波，這種狀態(tài)失真度很大，所以一般 乙類(lèi)放大器都用雙管做成推挽式每管工作半周構(gòu)成完整的正弦波以減小失真。但是，當(dāng)無(wú)交流輸入時(shí)，有約一半幅度（ Q 點(diǎn)）的直流電流，其損耗為 ICOV CC,故效率是最低的，低于 50％， 所以這種甲類(lèi)功率放大僅用于很小功率的收音機(jī)、助聽(tīng)器中，也用于高級(jí)的 Hi－ Fi功防中。 功率放大器的種類(lèi) 功率放大器按信號(hào)導(dǎo)通角，可分為： 甲 、 乙 、 甲乙 和 丙 類(lèi)四類(lèi)，其情況簡(jiǎn)述如下： 我們略去電路直接從特性曲線討論工作狀態(tài)，見(jiàn)圖（ 2－ 4－ 1）中左邊為晶體管輸入特性，固定偏置所形成的工作點(diǎn)在 Q 點(diǎn)，當(dāng)正弦音頻信號(hào)輸入時(shí)，其幅度未超出線性范圍，集電極工作狀態(tài)處于截至區(qū)和飽和點(diǎn)之內(nèi)，機(jī)電機(jī)電流為完整的全周導(dǎo)通的正弦波，此時(shí)導(dǎo)通角微 180 度（導(dǎo)通角是以最小值至最大值之間占全周的部分來(lái)計(jì)算，全周導(dǎo)通為 180 度）。作為功率放大器，在電路組成上，必須采用避免管外電路中無(wú)謂的消耗直流功率的電路結(jié)構(gòu)。若功率放大器采用這種匹配負(fù)載，顯然不可能輸出大的信號(hào)電流和相應(yīng)功率。通常將于 RL 相匹配的輸入激勵(lì)稱(chēng)為充分激勵(lì)，相應(yīng)的負(fù)載稱(chēng)為激勵(lì)負(fù)載。不過(guò)，這些高效率的運(yùn)用狀態(tài)都將使集電極電流波形嚴(yán)重失真，要實(shí)現(xiàn)不失真放大，都需要在電路中采取特定的措施。結(jié)果是 Pc很小， η C將顯著增大。飽和導(dǎo)通時(shí)，不論 ic 為何值， vce0 (b) 0 (d) (c) 0 (a)