D类放大器

1、概述

在之前的文章中，放大器的导通角与其效率之间建立了重要的联系。 事实上，基于高导通角的放大器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%。 随着导通角减小，可以达到高效率，例如 C 类放大器。

因此，为了实现 100% 的效率，需要趋向于 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，因为没有功率传输到负载。

D 类放大器通过采用与传统 A、B、AB 或 C 类放大器不同的方法来精确解决这个问题。 在第一部分中，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每个模块，以了解信号在 D 类放大过程中如何转换。 最后一节给出了有关该放大器效率的一些注释。 最后，这些信息被综合成一个总结信号全局变换的结论。

2、D类放大器介绍

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连续性如下图 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。 我们将在专门部分看到图 1 中提出的有关调制的视图过于简单化。

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下工作，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，最后一级消除了放大过程中可能产生的不需要的谐波。

3、调制

存在多种调制技术，但在许多应用中最常见和最广泛使用的是脉宽调制 (PWM)。 代表 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从独立发生器获得的通常称为载波的高频三角信号进行比较。 为了与香农定理一致，载波信号的频率必须至少是正弦信号频率的两倍。

调制器的输出是通过对这两个信号进行以下比较获得的：

• 如果正弦高于载波信号，则输出等于 1
• 否则，输出等于 0

在本文中，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，绘制了频率为 2 Hz 的输入信号以及频率为 20 Hz 的载波信号。 此外，通过进行前面解释的比较来绘制 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。 占空比是表征一个周期内信号值为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。 对于 PWM，虽然频率恒定，但占空比会变化。

我们可以注意到，当输入信号最大时，PWM 占空比趋于 1，相反，当输入信号最小时，PWM 占空比趋于 0。 因此，PWM的占空比与正弦信号的原始形状直接相关。 这种肯定确实可以通过一个简单的算法来确认，该算法对每个周期独立地平均 PWM 输出，结果如图 4 所示：

图4：PWM信号的平均操作

从该图中可以清楚地看出，对 PWM 信号进行平均时，原始信号的正弦形状再次出现。 在实际电路中，此操作是由滤波器完成的，正如我们将在“滤波”部分中看到的。