數字多媒體中的Ｄ類音頻功率放大器

摘要:隨著設計技術的不斷進步，D類功率放大器的性能指標也逐漸接近AB類放大器。本文系統介紹了基于PWM調制的立體聲 D 類音頻功率放大器，該產品采用高效的 D 類工作模式，領先的音頻性能，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的大中型 DTV 屏幕數字多媒體的開發進程。

關鍵詞: PWM調制;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點，但也有一共同的缺陷，就是效率都低于50 % ，從而導致電池壽命減短、散熱量增大.在電視機中應用時導致音效受其影響很大。 隨著多媒體技術的進步，人們對音頻功率放大器的要求更加趨向高效、節能和小型化，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 的連續立體聲輸出功率，應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 電路設計

1. 1 電路系統框圖與原理

本文所設計的D 類音頻功率放大器系統框圖如圖1 所示. 該系統主要由前置放大模塊、PWM 調制模塊、功率輸出級模塊3 大模塊組成.同時，還包含2 路反饋，反饋環路1 由前置放大器構成積分器，保證了整個電路的穩定性和線性，反饋環路2 由2 個可調電阻構成，確定了整個系統的增益. 該系統工作原理:輸入信號從Vin+ 和V in - 輸入，經過前置放大得到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 調制信號，最后將PWM 調制信號輸送到輸出級驅動功率管。

圖1 D 類音頻功率放大器系統框圖

由比較器和三角波發生器組成的固定頻率的PWM電路，用輸入的音頻信號幅度，使功率管一個導通時另一個截止，再經輸出濾波器將方波轉變為音頻信號，推動揚聲器發聲。采用全橋的D類放大器可以實現平衡輸出，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，經過低通濾波器后，仍存在較大的負載電流，特別當濾波器設計不好時，流過負載的電流就會更大，從而導致負載損耗大，降低放大器效率。

1.2PWM 調制模塊

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

波作為載波信號，這里選用雙邊三角波作為載波， 調制級就是A/D轉換，對輸入模擬音頻信號采樣，形成高低電平形式數字PWM信號。圖2中，比較器同向輸入端接音頻信號源，反向端接功放內部時鐘產生的三角波信號。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，振蕩頻率穩定，比較器精度高，速度快，產生的PWM方波上升、下降沿陡峭，深入調制措施(參見文獻[2])。與單邊三角波產生的調制信號相比， 它具有如下兩個優點:a. 調制信息豐富，是單邊三角波調制的兩倍;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、音頻正弦信號產生的PWM波形及其相互關系

圖3 PWM比較器電路圖

1.3 全橋輸出級

輸出級是開關型放大器，輸出擺幅為VCC，電路結構如圖3所示。將MOSFET等效為理想開關，關斷時，導通電流為零，無功率消耗;導通時，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類功放的轉換效率可接近100%，但考慮輔助電路功耗及MOSFET傳導損耗，整體轉換效率一般可達90%左右。因為轉換效率很高，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因脈沖寬度調制、輸出級和電源電壓變化而產生的噪聲，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類功放抑制電路設計關鍵

2.1 Deadtime(死區校正)

全橋MOSFET管輪流成對導通，理想狀態一對導通，另一對截止，但實際上功率管的開啟關斷有一個過程。過度過程中，必有一瞬間，如圖3所示，在IN1/IN3尚未徹底關斷時IN2/IN4就已開始導通;因MOSFET全部跨接于電源兩端，故極端的時間內，可能會有很大的電壓電流同時加在4個MOSFET上，導致功耗很大，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同處導通狀態，引起有潛在威脅的很大短路電流，應保證一對MOSFET導通和另一對MOSFET截止期間有一個很短的停滯死區時間(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)

為了避免音響產生的嘶嘶聲，對于便攜式應用的D功率放大器，snr通常應當超過90 db，對于中等功率設計snr應當超過100 db，對于大功率設計應當超過110 db。這對于各種放大器是可以達到的，但在放大器設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優于10db，或總諧波失真(thd)優于0.1%，甚至會出現更壞的情況，thd趨向于有害音質的高階失真。但是使用具有高環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路中包括的揚聲器進行衰減。在精心設計的閉環d類放大器中，可以達到psr >; 60db和thd <;0.01%的高保真音質。

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類調制器中，通過將音頻信號與高頻固定頻率信號比較，并將結果在固定頻率的載波上調制，數字音頻信號被轉換成了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，恢復出原始基帶音頻信號。 擴展頻譜調制技術用于在更大的帶寬內擴展開關PWM信號的頻譜能量，而不改變原始音頻的內容。一個改進傳統調制器高輻射EMI的有效方法是改變PWM開關信號的兩個邊沿，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進行測試結果表明，各種器件的引腳布局經優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