- D 類(lèi)音頻功放的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- D 類(lèi)音頻功放單元電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
- D 類(lèi)音頻功放單元電路設(shè)計(jì)
D 類(lèi)音頻功放具有高效、節(jié)能、小型化的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品、家庭AV 設(shè)備及汽車(chē)音響等多個(gè)領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了一款工作于5V 電源電壓并采用PWM 來(lái)實(shí)現(xiàn)的D 類(lèi)音頻功率放大器，整個(gè)系統(tǒng)包含了輸入放大級(jí)、誤差放大器、比較器、內(nèi)部振蕩電路、驅(qū)動(dòng)電路、全橋開(kāi)關(guān)電路及基準(zhǔn)電路。通過(guò)引入反饋技術(shù)來(lái)減小系統(tǒng)的THD 指數(shù)，采用雙路反寬調(diào)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(dá)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(tǒng)的體積。
1 D 類(lèi)音頻功放的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的D 類(lèi)音頻功率放大器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該放大器結(jié)構(gòu)是基于雙邊自然采樣技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)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(hào)中大量的失真成分移除到人耳所能感應(yīng)到的音頻帶寬范圍之外，達(dá)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(jié)構(gòu)
在圖1 中，對(duì)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
此時(shí)系統(tǒng)輸出為：
開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的總諧波失真為：
式（2）中的Vin 為放大器的輸入信號(hào)，Vn 為引入的諧波失真，Hf 為傳遞函數(shù)。
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
其中Hfb 為閉環(huán)模型的傳遞函數(shù)，G 為反饋增益。為了得到相等的放大倍數(shù)，設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)為：
則式（3）變?yōu)椋?br />
閉壞系統(tǒng)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(tǒng)THD 為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)THD 的1/（1+HfbG），即通過(guò)反饋結(jié)構(gòu)減小了系統(tǒng)的THD。
2 單元電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)單元電路主要包括：輸入放大級(jí)、誤差放大器、比較器、驅(qū)動(dòng)電路、全橋開(kāi)關(guān)電路、內(nèi)部振蕩電路和基準(zhǔn)電路。
2.1 輸入放大級(jí)
D 類(lèi)音頻功率放大器的輸入放大級(jí)是基于運(yùn)算放大器（OTA）的閉環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，用來(lái)根據(jù)需要對(duì)輸入的音頻信號(hào)作電平調(diào)整和信號(hào)放大處理，使輸入信號(hào)在幅度方面能滿足后級(jí)電路的要求，輸入放大級(jí)的增益可以通過(guò)設(shè)置Rf1和R1 的阻值來(lái)決定。
圖4 輸入放大級(jí)電路結(jié)構(gòu)
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(jí)構(gòu)成，即輸入預(yù)放大級(jí)、判斷級(jí)（或正反饋級(jí)）和輸出數(shù)字整形緩沖級(jí)。預(yù)放大級(jí)采用有源負(fù)載的差分放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其放大倍數(shù)不用很大，用來(lái)進(jìn)行輸入信號(hào)的放大，以提高比較器的敏感度，并把比較器的輸入信號(hào)與來(lái)自正反饋級(jí)的開(kāi)關(guān)噪聲隔離開(kāi)；判斷級(jí)用來(lái)將預(yù)放大級(jí)的信號(hào)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(xiàn)正反饋，以具備能夠分辨非常小的信號(hào)的能力，并提高此級(jí)電路的增益；輸出緩沖級(jí)是一個(gè)自偏置的差分放大器，它的輸入是一對(duì)差分信號(hào)，用來(lái)把判斷級(jí)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)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
本文采用的三角波產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)如圖6 所示，其中m5、m6 和m7、m8 構(gòu)成了兩組恒流源，m9~m13 和Q1 構(gòu)成了輸出級(jí)。在電路中，采用將輸出信號(hào)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(shù)字電路產(chǎn)生兩路反向的時(shí)鐘信號(hào)clk 與clk0,來(lái)控制m2 和m3 的開(kāi)啟和關(guān)斷，從而達(dá)到對(duì)電容C 進(jìn)行充放電，產(chǎn)生三角波信號(hào)VT 的目的。
圖6 三角波產(chǎn)生電路
2.4 全橋開(kāi)關(guān)電路
輸出級(jí)采用N、P 型功率開(kāi)關(guān)對(duì)管組成的全橋開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)及負(fù)載電流流向如圖7 所示。
圖7 全橋電路結(jié)構(gòu)及負(fù)載電流示意圖
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2.5 驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖8 所示，該電路能有效調(diào)節(jié)死區(qū)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(xiàn)象，并有保護(hù)關(guān)斷功能。輸入信號(hào)為比較器輸出的PWM 脈沖信號(hào)，PWM1用來(lái)驅(qū)動(dòng)N 型功率開(kāi)關(guān)管，PWM2 用來(lái)驅(qū)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(xiàn)象，當(dāng)PWM 信號(hào)從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，PWM2 應(yīng)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)楦唠娖剑_(kāi)啟NMOS 功率開(kāi)關(guān)管，如圖9 所示；反之，當(dāng)PWM 信號(hào)從高變?yōu)榈蜁r(shí)，PWM1 先變?yōu)榈碗娖剑P(guān)斷NMOS 開(kāi)關(guān)功率管，隨后PWM2 再變?yōu)榈碗娖剑_(kāi)啟PMOS 開(kāi)關(guān)功率管。實(shí)際電路中，可以根據(jù)需要通過(guò)控制延遲單元的控制位Tc 來(lái)調(diào)整死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短。為減小失真，必須減小死區(qū)時(shí)間，該驅(qū)動(dòng)電路采用了逐級(jí)增加驅(qū)動(dòng)能力的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)功率管，從而減小了必要的死區(qū)時(shí)間，保證了低失真度。
圖8 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)
圖9 死區(qū)時(shí)間
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2.6 基準(zhǔn)電路
本文所設(shè)計(jì)的帶隙電壓基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)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(zhǔn)電路
電路上電時(shí)偏置電路可能會(huì)出現(xiàn)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(yùn)放輸出為高，M3~M6 也不通，整個(gè)電路不消耗電流。當(dāng)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(dǎo)通，inp、inn 分別被拉到0、1,運(yùn)放輸出變?yōu)?,M3~M6 導(dǎo)通，M13、M14 支路開(kāi)始有電流，并對(duì)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(jié)論
本文研究了基于PWM 調(diào)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(jí)增加驅(qū)動(dòng)能力的方式減小了必要的死區(qū)時(shí)間，保證了更低的失真度；采用雙路反寬調(diào)制方案，一方面抑制了系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，另一方面去除了輸出級(jí)的LC低通濾波器，達(dá)到了減小系統(tǒng)成本和體積的目的。
