D 类功率放大器与脉冲宽度调制

** D类功放 **

影响功放性能的两个主要的指标是保真度和效率，模拟功放利用晶体管的线性关系，具有较高的保真度，因此，在现有的音响系统中，模拟功放仍占据主导地位。然而，模拟功放的主要不足是效率低，功耗大，散热要求高，一般来说，A类功放的效率小于50%，改进的B类或AB类功放效率也在75%以下。相比较而言，D类功放以其效率高、体积小、重量轻、输出功率大的特点，近几十年来逐渐受到重视，并得到迅速的发展。

D 类功放的基本结构包括调制器、开关放大器和低通滤波器。音频信号被调制到高频脉冲波形上，功率管工作在饱和、截止两种状态，无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电；工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。在理想情况下，D 类功放的效率为 100%，考虑到晶体管的消耗，D 类功放的效率仍要高于其它类型的功放。

图1 D类功放一般结构

D 类功放的调制方式有很多种，最常用的是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称 PWM）方法。其具体实现方法为将输入波形与一个固定载频的三角波信号进行比较，波形的全部信息被调制在 PWM 信号的宽度变化中。经过开关放大和低通滤波后，可以恢复出原始的输入波形信息。

图2 PWM 调制过程。图 (a) 的红线为输入信号，蓝线为高频三角波信号；图 (b) 为比较器输出后的 PWM 信号；图 (c) 为PWM信号经低通滤波后的信号

** 数字 PWM 调制 **

在用 DSP 作为信号发生源时，可以外接数模转换器（A/D Converter）将数字信号转换为模拟信号，再用三角波和载波音频信号进行比较，调制出 PWM 信号。也可以使用数字信号处理技术，直接由 DSP 用数字方式产生PWM 信号。一些 DSP 拥有增强高分辨率脉宽调制器 (Enhanced High-Resolution Pulse-Width Modulator，简称 eHRPWM) 模块，可以产生高精度的 PWM 波，这样就简化了调制过程，减小系统功耗和可能引入的噪声。

以 C6748 DSP 为例，其自带 2 个 eHRPWM 模块，包括：16 bits 的专用时基计数器用于载波周期和频率控制；6 个单边输出、6 个双边同步输出或 3 个双边异步输出；死区时间控制等。高分辨率特性使得其在 PWM 波频率 200kHz 的情况下精度可达 14.8 bits，可用于直接驱动 D 类功放。

实验中待发送波形的信号频率范围为 16~22kHz，通常调制频率应在信号频率的 3~4 倍以上，故选择 200kHz 作为 PWM 波的调制频率，假设信号的幅度范围为 0~Vmax，信号采样点幅度 Vin 与 PWM 波占空比的关系可以表示为：

DUTY RATIO(%) = Vin / Vmax