PWM型D类音频功率放大器的设计

　摘 要：D类音频功放具有高效、节能、小型化的优点，普遍应用于便携式产品、家庭AV设备及汽车声响等多个范畴。文章设计了一款工作于5V电源电压并采用PWM来完成的D类音频功率放大器，整个系统包含了输入放大级、误差放大器、比拟器、内部振荡电路、驱动电路、全桥开关电路及基准电路。经过引入反应技术来减小系统的THD指数，采用双路反宽调制计划不只抑止了D类音频功率放大器的静态功耗，而且到达了去除D类音频功率放大器输出端低通滤波器的目的，减小了系统的体积。
　　关键词： PWM；D类功率放大器；效率；失真度
　　中图分类号：TN949.199文献标识码：B
　　
　　The Design of a Class D Audio Power Amplifier with PWM Modulation
　　
　　CAI Yan-yan, LI Wen-fang
　　(HuangHe Science and Technology Colledge, Electronic and information engineering Department, Zhengzhou Henan 450062, China)
　　
　　Abstract: With the advantages of high efficiency, energy saving and small size, the class D amplifier is used extensively in portable applications, home AV equipment, car audio and so on. In this paper, the Class D audio power amplifier with PWM and 5V supply is presented. The entire circuit contains a preamplifier, an error amplifier, comparators, oscillator, gate-driver circuit, full-bridge, and reference circuit. Feedback is applied to reduce the total harmonic distortion. A dual PWM scheme is used to minimize static power consumption of the system, and it also removes the LPF, makes the system smaller.
　　Keywords:PWM; Class D power amplifierP; efficiency; Distortion
　　
　　引 言
　　
　　 D类放大器是一种具有极高工作效率的开关功率放大器，被放大的信号并非为直接输入信号，而是经采样变换为脉宽变化的开关信号，使功率开关管均处于开关状态。理想状态下，功率开关管导通没有电压降，关断时没有电流流过，效转贴于原上草论文网www.yscbook.com率可达100%。但实践中，由于受器件限制（如开关速度、漏电流、导通电阻不为零等）和设计上的不完善，其实践效率通常可到达90%以上，同线性放大器相比，具有较大的优势，目前曾经在一些高档产品中得到应用并投放市场。本文设计的D类音频功率放大器主要基于以下三个方面思索：保证高保真度、进步效率和减小体积。
　　
　　1D类音频功放的系统设计
　　
　　 本文所设计的D类音频功率放大器的系统构造如图1所示
转贴于原上草论文网www.yscbook.com。该放大器构造是基于双边自然采样技术计划完成的，在任一时辰输出所包含的信息量都是单边采样计划的两倍，经过双边自然采样还能够把输出音频信号中大量的失真成分移除到人耳所能感应到的音频带宽范围之外，到达去除D类音频功率放大器输出端低通滤波器的目的。
　　 系统采用单电源供电，脉冲信号“out1”和“out2”的上下电平分别为VDD和GND，输入放大级由运算放大器OTA的闭环构造完成，误差放大器则由运算放大器OTA与电容Cs构成。系统工作时，音频输入信号Vin首先经过输入放大级后输出两路差分信号，再与反应信号求和送到误差放大器中产生误差信号VE1、VE2，对三角波载波信号VT停止调制，输出两路脉冲信号“out1”和“out2”以驱动扬声器发声。系统包含两个反应环路，第一个由R1、Rf1和OTA组成，用来设置输入放大级和整个D类音频功率放大器的增益，第二个由R2、Rf2和后端音频信号处置电路组成，用来减小系统的THD指数。
　　 在图1中，对电容Cs充放电的电流I1、I2由Vout1、Vout2、Vin、R1、Rf1、R2和Rf2共同决议，其中电阻和电容必需具有良好的线性度和匹配性，以取得良好的闭环性能。
　　 开环D类音频功率放大器的模型如图2所示。
　　 此时系统输出为：
　　 Vout1= HfVin+Vn（1）
　　 开环系统的总谐波失真为：
　　 式（2）中的Vin为放大器的输入信号，Vn为引入的谐波失真，Hf为传送函数。
　　 具有反应环路的D类音频功率放大器的模型如图3所示。
　　 此时系统的输出为：
　　 其中Hfb为闭环模型的传送函数，G为反应增益。为了得到相等的放大倍数，设计传送函数为：
　　 Hf = Hfb/(1+HfbG)（4）
　　 则式（3）变为：
　　 Vout2 = HfVin+Vn/(1+HfbG)（5）
　　 闭坏系统的总谐波失真为：
　　 比拟式（2）和式（6）能够看出，具有反应环路闭环系统THD为开环系统THD的1/(1+HfbG)，即经过反应构造减小了系统的THD。
　　
　　2单元电路设计完成
　　
　　 系统单元电路主要包括：输入放大级、误差放大器、比拟器、驱动电路、全桥开关电路、内部振荡电路和基准电路。
　　
　　2.1输入放大级
　　 D类音频功率放大器的输入放大级是基于运算放大器（OTA）的闭环构造来完成的，其构造如图4所示，用来依据需求对输入的音频信号作电平调整和信号放大处置，使输入信号在幅度方面能满足后级电路的请求，输入放大级的增益能够经过设置Rf1和R1的阻值来决议。
　　
　　2.2比拟器
　　 本文所采用的比拟器电路如图5所示，比拟器电路由三级构成，即输入预放大级、判别级（或正反应级）和输出数字整形缓冲级。预放大级采用有源负载的差分放大器来完成，其放大倍数不用很大，用来停止输入信号的放大，以进步比拟器的敏感度，并把比拟器的输入信号与来自正反应级的开关噪声隔分开；判别级用来将预放大级的信号进一步放大，为比拟器的中心局部，电路中经过把m8与m9的栅极穿插互连完成正反应，以具备可以分辨十分小的信号的才能，并进步此级电路的增益；输出缓冲级是一个自偏置的差分放大器，它的输入是一对差分信号，用来把判别级的输出信号转化成逻辑电平（0V或5V），即输出高电平VOH=VDD，输出低电平VOL=GND。
　　
　　2.3内部振荡电路
　　 本文采用的三角波产生电路构造如图6所示，其中m5、m6和m7、m8构成了两组恒流源，m9～m13和Q1构成了输出级。在电路中，采用将输出信号VT分别反应到比拟器comp1和comp2，与参考电平VREF1和VREF2（VREF2