摘要:隨著設(shè)計技術(shù)的不斷進步，D類功率放大器的性能指標(biāo)也逐漸接近AB類放大器。本文系統(tǒng)介紹了基于PWM調(diào)制的立體聲 D 類音頻功率放大器，該產(chǎn)品采用高效的 D 類工作模式，領(lǐng)先的音頻性能，同時具有高效的抑制電路、極低的總諧波失真以及卓越的信噪比等特點。該放大器具有簡易的面板布局和極低的電磁干擾 (EMI) ，可顯著加速諸如 DLP、HDTV、液晶電視 (LCD) 以及等離子電視包含在內(nèi)的大中型 DTV 屏幕數(shù)字多媒體的開發(fā)進程。

關(guān)鍵詞: PWM調(diào)制;D 類音頻功率放大器;高效的抑制電路;諧波失真

Abstract :With the continuous advancement of technology， design， D-type power amplifier performance is also moving into the Class AB amplifier. In this paper based on PWM modulation D stereo audio power amplifier， the product is highly efficient Class D mode， the leading audio performance， at the same time highly efficient suppression circuit， low total harmonic distortion and excellent signal to noise ratio and so on. The amplifier has a simple panel layout and low electromagnetic interference (EMI)， can significantly speed up， such as DLP， HDTV， LCD TV (LCD) and plasma TV included the large and medium-sized screen DTV digital multimedia development process.

Key words: PWM modulation Class;D audio power amplifier ;circuit inhibit efficient ;harmonic distortion

引言

傳統(tǒng)的音頻功率放大器主要有A 類、B 類、AB 類。 這3類音頻功率放大器各其優(yōu)點，但也有一共同的缺陷，就是效率都低于50 % ，從而導(dǎo)致電池壽命減短、散熱量增大.在電視機中應(yīng)用時導(dǎo)致音效受其影響很大。 隨著多媒體技術(shù)的進步，人們對音頻功率放大器的要求更加趨向高效、節(jié)能和小型化，所以高效率D類音頻功率放大器越來越受到人們的重視，例如目前市場推出的TPA3101D2為立體聲無濾波 D 類音頻功率放大器，無需外部散熱片就能提供每通道高達 20W 的連續(xù)立體聲輸出功率，應(yīng)用范圍通常為對小尺寸外形與音頻保真度方面有較高需求的 27 英寸以上的 數(shù)字電視。該功率放大器采用且斜邊失真小于0. 1 %的雙邊三角波為載波的PWM 調(diào)制方式，能夠在2. 5～5V 的電源電壓下工作，且能為4 Ω 負載提供2W 的額定輸出功率. 輸出信號的失真度小于0.07%，所以具有極高的市場價值。

1 電路設(shè)計

1. 1 電路系統(tǒng)框圖與原理

本文所設(shè)計的D 類音頻功率放大器系統(tǒng)框圖如圖1 所示. 該系統(tǒng)主要由前置放大模塊、PWM 調(diào)制模塊、功率輸出級模塊3 大模塊組成.同時，還包含2 路反饋，反饋環(huán)路1 由前置放大器構(gòu)成積分器，保證了整個電路的穩(wěn)定性和線性，反饋環(huán)路2 由2 個可調(diào)電阻構(gòu)成，確定了整個系統(tǒng)的增益. 該系統(tǒng)工作原理:輸入信號從Vin+ 和V in - 輸入，經(jīng)過前置放大得到2 個相位相反的信號，送到比較器與載波三角波比較得到PWM 調(diào)制信號，最后將PWM 調(diào)制信號輸送到輸出級驅(qū)動功率管。

圖1 D 類音頻功率放大器系統(tǒng)框圖

由比較器和三角波發(fā)生器組成的固定頻率的PWM電路，用輸入的音頻信號幅度，使功率管一個導(dǎo)通時另一個截止，再經(jīng)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號，推動揚聲器發(fā)聲。采用全橋的D類放大器可以實現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并可減少干擾。全橋電路負載上的電壓峰峰值接近電源電壓的2倍，可采用單電源供電。實現(xiàn)時，通常采取2路輸出脈沖相位相反的方法。其輸出電壓是疊加變大的，經(jīng)過低通濾波器后，仍存在較大的負載電流，特別當(dāng)濾波器設(shè)計不好時，流過負載的電流就會更大，從而導(dǎo)致負載損耗大，降低放大器效率。

1.2PWM 調(diào)制模塊

PWM 調(diào)制模塊包含提供載波的振蕩器和PWM比較器2 個部分，PWM 調(diào)制一般采用三角波。

波作為載波信號，這里選用雙邊三角波作為載波， 調(diào)制級就是A/D轉(zhuǎn)換，對輸入模擬音頻信號采樣，形成高低電平形式數(shù)字PWM信號。圖2中，比較器同向輸入端接音頻信號源，反向端接功放內(nèi)部時鐘產(chǎn)生的三角波信號。在音頻輸入端信號電平高于三角波信號時，比較器輸出高電平VH，反之，輸出低電平VL，并將輸入正弦波信號轉(zhuǎn)換為寬度隨正弦波幅度變化的PWM波。這是D類功放核心之一，必須要求三角波線性度好，振蕩頻率穩(wěn)定，比較器精度高，速度快，產(chǎn)生的PWM方波上升、下降沿陡峭，深入調(diào)制措施(參見文獻[2])。與單邊三角波產(chǎn)生的調(diào)制信號相比， 它具有如下兩個優(yōu)點:a. 調(diào)制信息豐富，是單邊三角波調(diào)制的兩倍;b. 信號諧波的幅值衰減得更快， 減小了諧波失真。三角波振蕩器電路簡圖如圖3 所示。

圖2放大器中的三角波、音頻正弦信號產(chǎn)生的PWM波形及其相互關(guān)系

圖3 PWM比較器電路圖

1.3 全橋輸出級

輸出級是開關(guān)型放大器，輸出擺幅為VCC，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。將MOSFET等效為理想開關(guān)，關(guān)斷時，導(dǎo)通電流為零，無功率消耗;導(dǎo)通時，兩端電壓依然趨近乎零，雖有電流存在，但功耗仍趨近零;整個工作周期，MOSFET基本無功率消耗，所以理論上D類功放的轉(zhuǎn)換效率可接近100%，但考慮輔助電路功耗及MOSFET傳導(dǎo)損耗，整體轉(zhuǎn)換效率一般可達90%左右。因為轉(zhuǎn)換效率很高，所以芯片本身消耗的熱能小，溫升也才很小，完全可以不考慮散熱不良，因此被稱為綠色能效D類功放。

1.4 負反饋

負反饋是LPF電路，將檢測到的輸出級音頻成分反饋到輸入級，與輸入信號比較，對輸出信號進行補償、校正、噪聲整形，以此改善功放線性度，降低電源中紋波(電源抑制比，PSRR)。負反饋可減小通帶內(nèi)因脈沖寬度調(diào)制、輸出級和電源電壓變化而產(chǎn)生的噪聲，使輸出PWM中低頻成分總能與輸入信號保持一致，以得到很好的THD，使聲音更加豐富精確。

2 D類功放抑制電路設(shè)計關(guān)鍵

2.1 Deadtime(死區(qū)校正)

全橋MOSFET管輪流成對導(dǎo)通，理想狀態(tài)一對導(dǎo)通，另一對截止，但實際上功率管的開啟關(guān)斷有一個過程。過度過程中，必有一瞬間，如圖3所示，在IN1/IN3尚未徹底關(guān)斷時IN2/IN4就已開始導(dǎo)通;因MOSFET全部跨接于電源兩端，故極端的時間內(nèi)，可能會有很大的電壓電流同時加在4個MOSFET上，導(dǎo)致功耗很大，整體效率下降，而且器件溫升加劇，燒壞MOSFET，降低可靠性。為避免兩對MOSFET同處導(dǎo)通狀態(tài)，引起有潛在威脅的很大短路電流，應(yīng)保證一對MOSFET導(dǎo)通和另一對MOSFET截止期間有一個很短的停滯死區(qū)時間(Dead-time)，這個時間由Logic邏輯控制器控制，以有效保證一組MOSFET關(guān)斷后，另一組MOSFET再適時開啟，減小MOSFET損耗，提高放大器效率。

2.2 信噪比(snr)

為了避免音響產(chǎn)生的嘶嘶聲，對于便攜式應(yīng)用的D功率放大器，snr通常應(yīng)當(dāng)超過90 db，對于中等功率設(shè)計snr應(yīng)當(dāng)超過100 db，對于大功率設(shè)計應(yīng)當(dāng)超過110 db。這對于各種放大器是可以達到的，但在放大器設(shè)計期間必須跟蹤具體的噪聲源以保證達到滿意的總體snr。

2.3電源抑制(psr)

在數(shù)字多媒體電路中，電源噪聲幾乎直接耦合到輸出揚聲器，具有很小的抑制作用。發(fā)生這種情況是因為輸出級晶體管通過一個非常低的電阻將電源連接到低通濾波器。濾波器抑制高頻噪聲，但所有音頻頻率都會通過，包括音頻噪聲。

如果不解決失真問題和電源問題，就很難達到psr優(yōu)于10db，或總諧波失真(thd)優(yōu)于0.1%，甚至?xí)霈F(xiàn)更壞的情況，thd趨向于有害音質(zhì)的高階失真。但是使用具有高環(huán)路增益的反饋電路就能對此有很大的幫助。lc濾波器輸入的反饋會大大提高psr并且衰減所有非lc濾波器失真源。lc濾波器非線性可通過在反饋環(huán)路中包括的揚聲器進行衰減。在精心設(shè)計的閉環(huán)d類放大器中，可以達到psr >; 60db和thd <;0.01%的高保真音質(zhì)。

3 EMI 處理

自從D類放大器誕生以來，由于其自身的軌對軌(rail-to-rail)供電開關(guān)特性而引起的大量輻射EMI就一直存在并且成為困擾。在D類調(diào)制器中，通過將音頻信號與高頻固定頻率信號比較，并將結(jié)果在固定頻率的載波上調(diào)制，數(shù)字音頻信號被轉(zhuǎn)換成了PWM信號。形成的信號是可變脈寬的固定載波頻率(通常在幾百kHz)，然后由高壓功率MOSFET對這些PWM信號進行放大，放大后的PWM信號再通過低通濾波器去掉載頻，恢復(fù)出原始基帶音頻信號。 擴展頻譜調(diào)制技術(shù)用于在更大的帶寬內(nèi)擴展開關(guān)PWM信號的頻譜能量，而不改變原始音頻的內(nèi)容。一個改進傳統(tǒng)調(diào)制器高輻射EMI的有效方法是改變PWM開關(guān)信號的兩個邊沿，如圖1所示。信號以載波頻率為中心，但任何一個邊沿都不是按周期重復(fù)的。這不僅維持了固定載波頻率，而且由于邊沿不是以固定比率跳變的，載波頻率上的輻射能量就得到了極大的降低。通過對TPA3101D2進行測試結(jié)果表明，各種器件的引腳布局經(jīng)優(yōu)化后同樣可顯著降低 EMI，并使面板布局更簡便。

參考文獻

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作者簡介

周頎(1980-)助講 男

E-mail:zhouqi3111@sohu.com

鮑雪晶 (1983-) 助講女

E-mail:baoxuejing0324@sohu.com