D 类音频功率放大器的环路设计
D 类音频功率放大器具有效率高、功耗低的优点,采用 D 类音频功率放大器的设备能够提
高电池的寿命,它特别适合应用于无线和手持通信设备,主要应用在 PDA、移动电话和类
似的手持移动通信工具的设计和产品中.
而大功率输出的音频设备具有很大的功耗,所以在大功率输出的音频设备中采用低功
耗的 D 类音频功率放大器也是十分必要的,特别在集成了高质量音频性能和扩展了混合能
力的同时实现了低功耗.
本文将介绍 D 类音频功率放大器的环路设计,表明这个 D 类音频功率放大器具有效
率高、功耗低、谐波失真低的特点.
如图 1 所示,这个音频功率放大器包含一个音频通道,一个振荡器、一个基准电压电
流源和一个过流保护电路.这个音频通道包含有一个控制单元,控制单元把输入音频信号转
换为脉宽调制(PWM)信号,然后 PWM 信号驱动这个音频功率放大器的开关功率级,经过
开关功率级输出的信号被重新反馈到积分器的输入端,反馈环路用来改善音频功率放大器的
电源抑制比(PSRR)和总谐波失真(THD).在输出端使用一个低通的二阶滤波器来解调出音
频信号和抑制高频能量,在这个音频功率放大器的设计中优化了的系统设计取消了外接的低
通输出滤波器来降低系统应用成本.
保护模块主要包括过流保护,使这个音频功率放大器在误操作和负载电阻被烧毁的情
况下能够保护音频功率放大器不被烧毁.
在振荡器的设计中,把电阻和电容全部集成到了音频功率放大器的内部,应用时就可
以使用最少的外接器件,节约了应用成本,但是这个振荡器的振荡频率相对于外接电阻的振
荡器的振荡频率来讲,其工艺偏差的影响会更大.
这个音频功率放大器的 PWM 调制方法是基于双边自然采样技术.PWM 信号可以直
接通过比较音频输入信号(audio input)和三角波信号(triangulaI waveform)得到,如图 2 所示,这个三角波的的频率称为载波频率,输入信号的幅度和载波信号的幅度之比称之为调制
深度(modulation depth),PWM 频谱中并不直接的包含调制信号的谐波,也就是说从谐波
失真的角度上考虑,它是非常理想的.
仅考虑音频范围(20Hz-20kHz)内的信号,PWM 调制的增益是输出 PWM 信号幅度和
输入三角波幅度之比:
上式中的 Vp 是PWM 输出信号的幅度,VT 是输入三角波信号的幅度.
一个音频通道的电路图如图 3 所示,这个音频功率放大器利用反馈环路来抑制电源电
压波动、开关功率级的输出偏差以及谐波失真,这个音频功率放大器的闭环增益为:
电阻 R1、R2、R3,Rfb 必须具有良好的线性度和匹配,以获得良好的闭环性能.
系统开环时的情况如图 4 所示,整个开环环路的增益可由下式推出:
由式(3)、(4)可得出这个环路的单位增益频率为:
图5所示的为放大器内部环路信号,VE 为积分器的输出波形,VT 为振荡器的输出波
形,这两个三角波互相穿通,输出改变方向.为了使这个音频功率放大器能够正常工作,这
个振荡器三角波的幅度应该比积分器输出三角波的幅度大,更为准确性的说是振荡器三角波
的斜率应该比误差三角波的斜率大,否则就会出现发散的现象:
由图 4 可知,输入积分器电容的电流为反馈电流 Ifb 和输入电流 Iin 之和.输入信号为
零的情况,如图 5(a)所示,反馈电流 Ifb 交替注入积分器电容里,积分器输出三角波的斜率
为:
当有一个正输入信号电流注入这个环路时,积分器输出三角波的下降沿的斜率变的更

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