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D 类输出信号 (PWM) 如何包含音频信号?

发布时间:2012-10-29

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。

TPA3001D1结构图
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)

比较器的输入与典型D 类放大器的PWM输出
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。

TPA3001D1 与 TPA3002D2 输入输出与PWM
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。

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
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幅度与频率相位
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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