模拟技术中的D类提高音频放大器的效率
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2020-12-09
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模拟技术中的模拟技术中的D类提高音频放大器的效率类提高音频放大器的效率
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
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 类输出信号类输出信号 (PWM) 如何包含音频信号？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。
图5：显示输入信号、输出前过滤器以及输出后过滤器的幅度与频率相位
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