關(guān)于PWM型D類音頻功率放大器的設(shè)計(jì)
D 類音頻功放具有高效、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)備及汽車音響等多個(gè)領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的D 類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 類音頻功率放大器的靜態(tài)功耗，而且達(dá)到了去除D 類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 類音頻功放的系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的D 類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 類音頻功率放大器輸出端低通濾波器的目的。
圖1 D 類音頻功率放大器結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用單電源供電，脈沖信號(hào)“out1”和“out2”的高低電平分別為VDD 和GND，輸入放大級(jí)由運(yùn)算放大器OTA 的閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，誤差放大器則由運(yùn)算放大器OTA 與電容Cs 構(gòu)成。系統(tǒng)工作時(shí)，音頻輸入信號(hào)Vin 首先經(jīng)過(guò)輸入放大級(jí)后輸出兩路差分信號(hào)，再與反饋信號(hào)求和送到誤差放大器中產(chǎn)生誤差信號(hào)VE1、VE2，對(duì)三角波載波信號(hào)VT 進(jìn)行調(diào)制，輸出兩路脈沖信號(hào)“out1”和“out2”以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。系統(tǒng)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(shè)置輸入放大級(jí)和整個(gè)D 類音頻功率放大器的增益，第二個(gè)由R2、Rf2 和后端音頻信號(hào)處理電路組成，用來(lái)減小系統(tǒng)的THD 指數(shù)。
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。
開環(huán)D 類音頻功率放大器的模型如圖2 所示。
圖2 開環(huán)D 類音頻功率放大器模型
此時(shí)系統(tǒng)輸出為：
開環(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 類音頻功率放大器的模型如圖3 所示。
圖3 閉環(huán)D 類音頻功率放大器模型
此時(shí)系統(tǒng)的輸出為：
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?/p>
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)
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)的開關(guān)噪聲隔離開；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
2.3 內(nèi)部振蕩電路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
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
2.4 全橋開關(guān)電路輸出級(jí)采用N、P 型功率開關(guān)對(duì)管組成的全橋開關(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
全橋開關(guān)電路工作在開關(guān)模式，隨著輸入信號(hào)的改變，m1~m4 的狀態(tài)隨之轉(zhuǎn)換，始終只有對(duì)角一對(duì)功率開關(guān)管導(dǎo)通，另一對(duì)截止。
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 型功率開關(guān)管，PWM2 用來(lái)驅(qū)動(dòng)P 型功率開關(guān)管。為了避免全橋開關(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 功率開關(guān)管，隨后PWM1 再變?yōu)楦唠娖?，開啟NMOS 功率開關(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 開關(guān)功率管，隨后PWM2 再變?yōu)榈碗娖?，開啟PMOS 開關(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
EN 是控制模塊的使能信號(hào)，正常工作為高電平；當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)溫等情況時(shí)，則變?yōu)榈碗娖剑P(guān)斷全橋功率開關(guān)電路。
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
核心電路中M1~M12 一起構(gòu)成共源共柵電流鏡來(lái)提供直流偏置，運(yùn)放op1 采用兩級(jí)共源共柵放大。另外，在圖10 電路中引入了負(fù)反饋，保證了該偏置電路電流鏡的準(zhǔn)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(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。
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