中心議題：

• D 類(lèi)音頻功放的系統設計
• D 類(lèi)音頻功放單元電路設計實(shí)現

解決方案：

• D 類(lèi)音頻功放單元電路設計
  

D 類(lèi)音頻功放具有高效、節能、小型化的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于便攜式產(chǎn)品、家庭AV 設備及汽車(chē)音響等多個(gè)領(lǐng)域。本文設計的D 類(lèi)音頻功率放大器主要基于以下三個(gè)方面考慮：保證高保真度、提高效率和減小體積。文章設計了一款工作于5V 電源電壓并采用PWM 來(lái)實(shí)現的D 類(lèi)音頻功率放大器，整個(gè)系統包含了輸入放大級、誤差放大器、比較器、內部振蕩電路、驅動(dòng)電路、全橋開(kāi)關(guān)電路及基準電路。通過(guò)引入反饋技術(shù)來(lái)減小系統的THD 指數，采用雙路反寬調制方案不僅抑制了D 類(lèi)音頻功率放大器的靜態(tài)功耗，而且達到了去除D 類(lèi)音頻功率放大器輸出端低通濾波器的目的，減小了系統的體積。

1 D 類(lèi)音頻功放的系統設計

本文所設計的D 類(lèi)音頻功率放大器的系統結構如圖1 所示。該放大器結構是基于雙邊自然采樣技術(shù)方案實(shí)現的，在任一時(shí)刻輸出所包含的信息量都是單邊采樣方案的兩倍，通過(guò)雙邊自然采樣還可以把輸出音頻信號中大量的失真成分移除到人耳所能感應到的音頻帶寬范圍之外，達到去除D 類(lèi)音頻功率放大器輸出端低通濾波器的目的。

圖1 D 類(lèi)音頻功率放大器結構

系統采用單電源供電，脈沖信號"out1"和"out2"的高低電平分別為VDD 和GND,輸入放大級由運算放大器OTA 的閉環(huán)結構實(shí)現，誤差放大器則由運算放大器OTA 與電容Cs 構成。系統工作時(shí)，音頻輸入信號Vin 首先經(jīng)過(guò)輸入放大級后輸出兩路差分信號，再與反饋信號求和送到誤差放大器中產(chǎn)生誤差信號VE1、VE2,對三角波載波信號VT 進(jìn)行調制，輸出兩路脈沖信號"out1"和"out2"以驅動(dòng)揚聲器發(fā)聲。系統包含兩個(gè)反饋環(huán)路，第一個(gè)由R1、Rf1 和OTA 組成，用來(lái)設置輸入放大級和整個(gè)D 類(lèi)音頻功率放大器的增益，第二個(gè)由R2、Rf2 和后端音頻信號處理電路組成，用來(lái)減小系統的THD 指數。

在圖1 中，對電容Cs 充放電的電流I1、I2 由Vout1、Vout2、Vin、R1、Rf1、R2 和Rf2 共同決定，其中電阻和電容必須具有良好的線(xiàn)性度和匹配性，以獲得良好的閉環(huán)性能。

開(kāi)環(huán)D 類(lèi)音頻功率放大器的模型如圖2 所示。

圖2 開(kāi)環(huán)D 類(lèi)音頻功率放大器模型

[page]
此時(shí)系統輸出為：

開(kāi)環(huán)系統的總諧波失真為：

式（2）中的Vin 為放大器的輸入信號，Vn 為引入的諧波失真，Hf 為傳遞函數。

具有反饋環(huán)路的D 類(lèi)音頻功率放大器的模型如圖3 所示。

圖3 閉環(huán)D 類(lèi)音頻功率放大器模型

此時(shí)系統的輸出為：

其中Hfb 為閉環(huán)模型的傳遞函數，G 為反饋增益。為了得到相等的放大倍數，設計傳遞函數為：

則式（3）變?yōu)椋?br />
閉壞系統的總諧波失真為：

比較式（2）和式（6）可以看出，具有反饋環(huán)路閉環(huán)系統THD 為開(kāi)環(huán)系統THD 的1/（1+HfbG），即通過(guò)反饋結構減小了系統的THD。

2 單元電路設計實(shí)現

系統單元電路主要包括：輸入放大級、誤差放大器、比較器、驅動(dòng)電路、全橋開(kāi)關(guān)電路、內部振蕩電路和基準電路。

2.1 輸入放大級
D 類(lèi)音頻功率放大器的輸入放大級是基于運算放大器（OTA）的閉環(huán)結構來(lái)實(shí)現的，其結構如圖4所示，用來(lái)根據需要對輸入的音頻信號作電平調整和信號放大處理，使輸入信號在幅度方面能滿(mǎn)足后級電路的要求，輸入放大級的增益可以通過(guò)設置Rf1和R1 的阻值來(lái)決定。

圖4 輸入放大級電路結構

[page]
2.2 比較器
本文所采用的比較器電路如圖5 所示，比較器電路由三級構成，即輸入預放大級、判斷級（或正反饋級）和輸出數字整形緩沖級。預放大級采用有源負載的差分放大器來(lái)實(shí)現，其放大倍數不用很大，用來(lái)進(jìn)行輸入信號的放大，以提高比較器的敏感度，并把比較器的輸入信號與來(lái)自正反饋級的開(kāi)關(guān)噪聲隔離開(kāi)；判斷級用來(lái)將預放大級的信號進(jìn)一步放大，為比較器的核心部分，電路中通過(guò)把m8 與m9 的柵極交叉互連實(shí)現正反饋，以具備能夠分辨非常小的信號的能力，并提高此級電路的增益；輸出緩沖級是一個(gè)自偏置的差分放大器，它的輸入是一對差分信號，用來(lái)把判斷級的輸出信號轉化成邏輯電平（0V 或5V），即輸出高電平VOH=VDD,輸出低電平VOL=GND。

圖5 比較器電路圖

2.3 內部振蕩電路

本文采用的三角波產(chǎn)生電路結構如圖6 所示，其中m5、m6 和m7、m8 構成了兩組恒流源，m9~m13 和Q1 構成了輸出級。在電路中，采用將輸出信號VT 分別反饋到比較器comp1 和comp2,與參考電平VREF1 和VREF2（VREF2<VREF1）進(jìn)行比較，并通過(guò)一組數字電路產(chǎn)生兩路反向的時(shí)鐘信號clk 與clk0,來(lái)控制m2 和m3 的開(kāi)啟和關(guān)斷，從而達到對電容C 進(jìn)行充放電，產(chǎn)生三角波信號VT 的目的。

圖6 三角波產(chǎn)生電路

由圖6 可知，VT 初始電壓值為零，電路上電時(shí)，由于0<VREF2<VREF1,此時(shí)比較器comp1 輸出為高電平，比較器comp2 輸出為低電平，使得時(shí)鐘信號clk為低電平、clk0 為高電平，m1、m3 導通，m2、m4 關(guān)斷，電源通過(guò)m3、m5、m6 向電容C 充電，VT 上升，當VT=VREF2 時(shí)，clk 仍為低電平、clk0 仍為高電平不變，VT 電位繼續上升，直到VT=VREF1 時(shí)，clk 變?yōu)楦唠娖?，clk0 變?yōu)榈碗娖?，m2、m4 開(kāi)啟，m1、m3 截止，電容C 通過(guò)m2、m7、m8 向地放電，VT 下降，當VT=VREF3 時(shí)，時(shí)鐘信號clk 再次變?yōu)榈碗娖?，clk0 變?yōu)楦唠娖?，重新開(kāi)始對電容C 充電，如此循環(huán)便產(chǎn)生了三角波信號VT,其幅值為VREF1- VREF2,頻率由電容C的取值和充放電的電流大小決定。

2.4 全橋開(kāi)關(guān)電路
輸出級采用N、P 型功率開(kāi)關(guān)對管組成的全橋開(kāi)關(guān)電路實(shí)現，其結構及負載電流流向如圖7 所示。

圖7 全橋電路結構及負載電流示意圖

全橋開(kāi)關(guān)電路工作在開(kāi)關(guān)模式，隨著(zhù)輸入信號的改變，m1~m4 的狀態(tài)隨之轉換，始終只有對角一對功率開(kāi)關(guān)管導通，另一對截止。
[page]
2.5 驅動(dòng)電路
驅動(dòng)電路結構如圖8 所示，該電路能有效調節死區時(shí)間（N 型、P 型功率開(kāi)關(guān)管同時(shí)關(guān)斷），防止單臂"shoot- through"現象，并有保護關(guān)斷功能。輸入信號為比較器輸出的PWM 脈沖信號，PWM1用來(lái)驅動(dòng)N 型功率開(kāi)關(guān)管，PWM2 用來(lái)驅動(dòng)P 型功率開(kāi)關(guān)管。為了避免全橋開(kāi)關(guān)電路中的單臂"shoot- through"現象，當PWM 信號從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，PWM2 應首先變?yōu)楦唠娖剑?關(guān)斷PMOS 功率開(kāi)關(guān)管，隨后PWM1 再變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)啟NMOS 功率開(kāi)關(guān)管，如圖9 所示；反之，當PWM 信號從高變?yōu)榈蜁r(shí)，PWM1 先變?yōu)榈碗娖?，關(guān)斷NMOS 開(kāi)關(guān)功率管，隨后PWM2 再變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)啟PMOS 開(kāi)關(guān)功率管。實(shí)際電路中，可以根據需要通過(guò)控制延遲單元的控制位Tc 來(lái)調整死區時(shí)間的長(cháng)短。為減小失真，必須減小死區時(shí)間，該驅動(dòng)電路采用了逐級增加驅動(dòng)能力的方式來(lái)驅動(dòng)功率管，從而減小了必要的死區時(shí)間，保證了低失真度。

圖8 驅動(dòng)電路結構

圖9 死區時(shí)間

EN 是控制模塊的使能信號，正常工作為高電平；當出現過(guò)流、過(guò)溫等情況時(shí)，則變?yōu)榈碗娖?，關(guān)斷全橋功率開(kāi)關(guān)電路。
[page]
2.6 基準電路
本文所設計的帶隙電壓基準源結構如圖10 所示，主要由核心電路與啟動(dòng)電路兩部分組成。

圖10 基準電路

核心電路中M1~M12 一起構成共源共柵電流鏡來(lái)提供直流偏置，運放op1 采用兩級共源共柵放大。另外，在圖10 電路中引入了負反饋，保證了該偏置電路電流鏡的準確性，同時(shí)與電源無(wú)關(guān)，具有很高的電源抑制比。

電路上電時(shí)偏置電路可能會(huì )出現零電流的情況，需要啟動(dòng)電路保證電路能夠正常工作。電路不工作時(shí)，EN、Vs1 為0,Vs2、Vs3 為1,M15、M17 不通，運放輸出為高，M3~M6 也不通，整個(gè)電路不消耗電流。當EN 由0 變成1 時(shí)，由于C1 的作用，Vs1 保持為0,Vs2 為1,Vs3 變?yōu)?,此時(shí)M15、M17 導通，inp、inn 分別被拉到0、1,運放輸出變?yōu)?,M3~M6 導通，M13、M14 支路開(kāi)始有電流，并對C1 充電，直到Vs1 高過(guò)I2 閾值電壓時(shí)，Vs2 變?yōu)?,Vs3 則變?yōu)?,M15、M17 關(guān)斷。最終電路偏離零電流狀態(tài)，開(kāi)始正常工作，且Vs1 充至電源電壓，整個(gè)啟動(dòng)電路不再消耗電流。

3 結論

本文研究了基于PWM 調制技術(shù)D 類(lèi)音頻功率放大器的工作原理，通過(guò)引入反饋技術(shù)減小了D 類(lèi)音頻功率放大器的THD;通過(guò)逐級增加驅動(dòng)能力的方式減小了必要的死區時(shí)間，保證了更低的失真度；采用雙路反寬調制方案，一方面抑制了系統的靜態(tài)功耗，另一方面去除了輸出級的LC低通濾波器，達到了減小系統成本和體積的目的。