D類(lèi)音頻功率放大器的環(huán)路設(shè)計(jì)

D類(lèi)音頻功率放大器具有效率高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，采用D類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)備能夠提高電池的壽命，它特別適合應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)和手持通信設(shè)備，主要應(yīng)用在PDA、移動(dòng)電話(huà)和類(lèi)似的手持移動(dòng)通信工具的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品中。而大功率輸出的音頻設(shè)備具有很大的功耗，所以在大功率輸出的音頻設(shè)備中采用低功耗的D類(lèi)音頻功率放大器也是十分必要的，特別在集成了高質(zhì)量音頻性能和擴(kuò)展了混合能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗。

本文將介紹D類(lèi)音頻功率放大器的環(huán)路設(shè)計(jì)，表明這個(gè)D類(lèi)音頻功率放大器具有效率高、功耗低、諧波失真低的特點(diǎn)。

如圖1所示，這個(gè)音頻功率放大器包含一個(gè)音頻通道，一個(gè)振蕩器、一個(gè)基準(zhǔn)電壓電流源和一個(gè)過(guò)流保護(hù)電路。這個(gè)音頻通道包含有一個(gè)控制單元，控制單元把輸入音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，然后PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)這個(gè)音頻功率放大器的開(kāi)關(guān)功率級(jí)，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)功率級(jí)輸出的信號(hào)被重新反饋到積分器的輸入端，反饋環(huán)路用來(lái)改善音頻功率放大器的電源抑制比(PSRR)和總諧波失真(THD)。在輸出端使用一個(gè)低通的二階濾波器來(lái)解調(diào)出音頻信號(hào)和抑制高頻能量，在這個(gè)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)中優(yōu)化了的系統(tǒng)設(shè)計(jì)取消了外接的低通輸出濾波器來(lái)降低系統(tǒng)應(yīng)用成本。

保護(hù)模塊主要包括過(guò)流保護(hù)，使這個(gè)音頻功率放大器在誤操作和負(fù)載電阻被燒毀的情況下能夠保護(hù)音頻功率放大器不被燒毀。

在振蕩器的設(shè)計(jì)中，把電阻和電容全部集成到了音頻功率放大器的內(nèi)部，應(yīng)用時(shí)就可以使用最少的外接器件，節(jié)約了應(yīng)用成本，但是這個(gè)振蕩器的振蕩頻率相對(duì)于外接電阻的振蕩器的振蕩頻率來(lái)講，其工藝偏差的影響會(huì)更大。

這個(gè)音頻功率放大器的PWM調(diào)制方法是基于雙邊自然采樣技術(shù)。PWM信號(hào)可以直接通過(guò)比較音頻輸入信號(hào)(audio input)和三角波信號(hào)(triangulaI waveform)得到，如圖2所示，這個(gè)三角波的的頻率稱(chēng)為載波頻率，輸入信號(hào)的幅度和載波信號(hào)的幅度之比稱(chēng)之為調(diào)制深度(modulation depth)，PWM頻譜中并不直接的包含調(diào)制信號(hào)的諧波，也就是說(shuō)從諧波失真的角度上考慮，它是非常理想的。

僅考慮音頻范圍(20Hz-20kHz)內(nèi)的信號(hào)，PWM調(diào)制的增益是輸出PWM信號(hào)幅度和輸入三角波幅度之比：

上式中的Vp是PWM輸出信號(hào)的幅度，VT是輸入三角波信號(hào)的幅度。

一個(gè)音頻通道的電路圖如圖3所示，這個(gè)音頻功率放大器利用反饋環(huán)路來(lái)抑制電源電壓波動(dòng)、開(kāi)關(guān)功率級(jí)的輸出偏差以及諧波失真，這個(gè)音頻功率放大器的閉環(huán)增益為：

電阻R1、R2、R3，Rfb必須具有良好的線(xiàn)性度和匹配，以獲得良好的閉環(huán)性能。

系統(tǒng)開(kāi)環(huán)時(shí)的情況如圖4所示，整個(gè)開(kāi)環(huán)環(huán)路的增益可由下式推出：

由式(3)、（4）可得出這個(gè)環(huán)路的單位增益頻率為：

圖5所示的為放大器內(nèi)部環(huán)路信號(hào)，VE為積分器的輸出波形，VT為振蕩器的輸出波形，這兩個(gè)三角波互相穿通，輸出改變方向。為了使這個(gè)音頻功率放大器能夠正常工作，這個(gè)振蕩器三角波的幅度應(yīng)該比積分器輸出三角波的幅度大，更為準(zhǔn)確性的說(shuō)是振蕩器三角波的斜率應(yīng)該比誤差三角波的斜率大，否則就會(huì)出現(xiàn)發(fā)散的現(xiàn)象：

由圖4可知，輸入積分器電容的電流為反饋電流Ifb和輸入電流Iin之和。輸入信號(hào)為零的情況，如圖5(a)所示，反饋電流Ifb交替注入積分器電容里，積分器輸出三角波的斜率為：

當(dāng)有一個(gè)正輸入信號(hào)電流注入這個(gè)環(huán)路時(shí)，積分器輸出三角波的下降沿的斜率變的更大，上升沿的斜率變的更小，如圖5(b)所示，輸出信號(hào)的占空比開(kāi)始發(fā)生變化。

當(dāng)輸入信號(hào)的電流Iin等于反饋信號(hào)的電流Ifb時(shí)，音頻功率放大器的調(diào)制深度是100％，誤差三角波VE的下降沿的斜率大約是沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)斜率的兩倍，整個(gè)環(huán)路收斂和穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)是：

在這個(gè)環(huán)路系統(tǒng)中，僅存在一個(gè)極點(diǎn)。

系統(tǒng)環(huán)路中包含一個(gè)極點(diǎn)，環(huán)路的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)是在增益為0dB時(shí)，電路的相位裕度大于60°。也可以在這個(gè)環(huán)路系統(tǒng)中引入一個(gè)LPH零點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)二階環(huán)路，與一階環(huán)路系統(tǒng)相比，二階環(huán)路系統(tǒng)在音頻帶寬內(nèi)具有更高的增益，因此將會(huì)在音頻范圍內(nèi)具有更好的THD性能和PSRR性能。