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功率放大器簡稱“功放”，誕生于19世紀(jì)，至今已有100多年的歷史，在音響、電視、無線通信、雷達、聲吶等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。它的主要作用是實現(xiàn)信號的功率放大，在水聲領(lǐng)域，功率放大器主要是驅(qū)動水聲換能器實現(xiàn)電信號向聲信號的轉(zhuǎn)變，并向海水中輻射足夠能量的聲信號。

1、功率放大器的作用

功率放大器是聲吶發(fā)射機不可或缺的一部分，它的主要作用是對音頻信號進行電壓和電流放大，提高輸出功率。由波形產(chǎn)生器所產(chǎn)生信號的功率很小，無法直接驅(qū)動換能器向水中輻射足夠能量的聲波，因此必須使用功率放大器對信號進行功率放大。

數(shù)字功放又稱為D類功放，它的概念早在20世紀(jì)60年代就有人提出，但受限于當(dāng)時的技術(shù)條件，進展很緩慢。1983年，M.B Sandler教授等人提出了D類（數(shù)字）PWM功率放大器的基本結(jié)構(gòu)，主要研究內(nèi)容是如何把PCM信號轉(zhuǎn)換成為PWM信號，以及如何使用不同的脈沖寬度來表示信號的幅度。D類功率放大器的放大元件的工作模式是一種開關(guān)工作狀態(tài)，當(dāng)沒有信號輸入時，功率放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，此時不耗電。當(dāng)有信號輸入時，功率放大器進入工作狀態(tài)，輸入的信號使晶體管進入飽和狀態(tài)，此時，晶體管相當(dāng)于一個接通的開關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想情況下，晶體管由于沒有飽和壓降因此不耗電，D類功放的效率為100%。實際應(yīng)用中，晶體管總是會存在很小的飽和壓降，因此會消耗部分電能。但這種耗電與信號輸出的大小無關(guān)，只與晶體管的特性有關(guān)，因此特別適用于超大功率的場合。

2、功放的基本原理

D類功率放大器的基本原理是：首先將輸入音頻信號（模擬信號或數(shù)字號）通過PWM信號變換器變換為較高頻率的PWM信號，然后將PWM信號進行功率放大以輸出足夠功率的PWM信號，最后將PWM信號通過低通濾波器進行平滑，轉(zhuǎn)換為大功率的模擬音頻輸出信號。D類功率放大器的原理圖如圖1所示。

圖1 D類功率放大器的原理圖

根據(jù)輸入音頻信號的形式不同，PWM調(diào)制器可以分為模擬信號PWM調(diào)制器和數(shù)字信號PWM調(diào)制器兩類。模擬信號PWM調(diào)制器是將模擬輸入音頻信號和高頻載波三角波信號由比較器進行比較，當(dāng)模擬音頻信號與三角波信號產(chǎn)生交叉時，就輸出一個相位切換信號，此信號會控制一個開關(guān)電路來產(chǎn)生極性經(jīng)過選擇的PWM信號。產(chǎn)生的PWM信號的頻率和三角波信號的頻率相同，PWM脈沖寬度由模擬輸入音頻信號的幅度來決定，即輸入音頻信號的信息由PWM信號的脈沖寬度來表示。

3、數(shù)字功率放大器的優(yōu)點

（1）瞬態(tài)響應(yīng)好。由于數(shù)字功放不存在模擬功放的靜態(tài)電流消耗，幾乎所有的能量都是為音頻輸出而存儲，而且沒有負(fù)反饋的牽制和模擬放大，因此具有更好的“動力”特征，“動態(tài)特性”較好。

（2）高頻段、中頻段和低頻段都沒有相對相移，聲像的定位準(zhǔn)確。由于采用數(shù)字濾波器和無負(fù)反饋的放大電路等處理技術(shù)，輸出濾波器的截止頻率可以設(shè)計的比較高，從而保證在20Hz~20k Hz內(nèi)的幅頻特性很平坦和相頻特性也較好。

（3）不存在過零、交越失真。

（4）適合大規(guī)模生產(chǎn)。

4、數(shù)字功率放大器的基本結(jié)構(gòu)

第一部分為調(diào)制器，最簡單的只需要用一只運放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號加上一定直流偏置后放在運放的正輸入端，另通過自激振蕩生成一個三角波加到運放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零、直流偏置三角波峰值的1 /2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時間一樣，輸出就是一個占空比為1∶1的方波。當(dāng)有音頻信號輸入時，正半周期內(nèi)，比較器輸出高電平的時間比低電平長，方波的占空比大于1∶1;負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少，方波占空比小于1∶1。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形，稱為PWM波形，音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。

圖2 D類功放的基本結(jié)構(gòu)

第二部分就是D類功放，這是一個脈沖控制的大電流開關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號。能夠輸出的最大功率有負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。

第三部分需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。方法很簡單，只需要用一個低通濾波器。但由于此時電流很大，ＲC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1∶1的脈沖到來時，C的充電時間大于放電時間，輸出電平上升;窄脈沖到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相一致，所以原音頻信號被恢復(fù)出來，如下所示。設(shè)計濾波器時應(yīng)考慮電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)，在開關(guān)頻率處、開關(guān)頻率的倍頻處存在很強的諧波能量，如果不對這部分諧波分量進行抑制，就會導(dǎo)致嚴(yán)重的輻射性EMI。