《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種低成本無濾波器D類音頻放大器的實(shí)現(xiàn)

2009-01-07
作者:鄭 浩,劉 巖

??? 摘 要: 介紹了一種低成本應(yīng)用于音頻D類放大器,無需外接濾波器,放大器采用全差分電路,利用脈寬調(diào)制方法去除了輸出濾波器,電路可以工作在2.5V~5V電源電壓下,電路采用6V CSMC 0.5μm DPTM工藝,利用MATLAB和Hspice工具仿真,放大器接8Ω的負(fù)載,電源電壓為3.6V,在高保真音頻范圍內(nèi)(20Hz~20kHz),轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到88%,連續(xù)平均功率0.1W時(shí),其THD+N小于0.06%。
??? 關(guān)鍵詞: D類放大器;無濾波;THD;反饋環(huán)路

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??? 在音頻功率放大電路的設(shè)計(jì)中,D類放大器因其轉(zhuǎn)換效率較高越來越受到歡迎。線性放大器理論輸出最大效率為78.5%,實(shí)際使用的效率則在30%,而D類放大器理論上的效率為100%,實(shí)際使用效率超過70%。特別是對(duì)于高功率放大器設(shè)計(jì),效率越高,系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量也就越少,故可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)。而對(duì)于小功率消費(fèi)類電子,效率越高則意味著系統(tǒng)的使用壽命越長。
??? D類放大器為了能和線性放大器競(jìng)爭(zhēng),必須要求低的THD。一般來講,在D類放大器中,影響THD值的主要原因?yàn)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/三角波" title="三角波" target="_blank">三角波的非線性以及開關(guān)器件引入的電源和地噪聲。前一種采用中等頻率的三角波(250kHz~300kHz),因?yàn)楦叩牟蓸宇l率雖然有利于信噪比(SNR),但也會(huì)降低三角波的線性度,同時(shí)對(duì)電路的要求也更高;另外,為了克服電源引入的噪聲,可以使用負(fù)反饋環(huán)路來提高放大器的電源抑制比(PSRR),從而降低電源對(duì)信號(hào)的干擾。由于傳統(tǒng)的D類放大器的輸出級(jí),為了降低采樣信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的干擾,使用LC濾波器濾掉采樣信號(hào),還原有用信號(hào)。為了使系統(tǒng)成本降低,以及減少外圍元件的數(shù)量,本文設(shè)計(jì)出了無外接濾波器的D類放大器。
??? 傳統(tǒng)PWM調(diào)制型D類放大器需要外接濾波器來重建信號(hào)和減少系統(tǒng)的電磁干擾(EMI),在參考文獻(xiàn)[1]中利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以減輕對(duì)濾波器的需求。雙邊采樣PWM調(diào)制器或者“三態(tài)”PWM調(diào)制器可以不用外接濾波器,這樣既節(jié)省了系統(tǒng)成本,同時(shí)也減少了PCB面積,特別對(duì)便攜式設(shè)備顯得更加有優(yōu)勢(shì)。因此,本文采用簡(jiǎn)單的一階閉環(huán)結(jié)構(gòu),且使用“三態(tài)”調(diào)制,消除了對(duì)外接濾波器的需要。
1 無濾波D類放大器工作原理
??? 對(duì)D類放大器的設(shè)計(jì),主要有兩種方式[2]:開環(huán)和閉環(huán)。開環(huán)方式是直接把輸入的音頻信號(hào)送到比較器中與三角波進(jìn)行比較,輸出PWM波形,PWM波形驅(qū)動(dòng)輸出開關(guān)級(jí),見圖1。開環(huán)的方式能夠提供比較合適的特性,但對(duì)電源和襯底的噪聲抑制較差,結(jié)果會(huì)降低輸出音頻信號(hào)的質(zhì)量。閉環(huán)結(jié)構(gòu)利用負(fù)反饋來提高D類放大器的性能,反饋系統(tǒng)本身就能提高對(duì)電源和襯底噪聲的抑制,抑制能力一般隨環(huán)路濾波器的階數(shù)增加。

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??? 美國德州儀器提出了一種無需外接濾波器的調(diào)制方法[3],這就使得高效率D類放大器全部集成在芯片上成為可能。用這種方法必須要求放大器是全差分,同時(shí)輸出結(jié)構(gòu)必須是全橋輸出結(jié)構(gòu),全橋電路可以使用“三態(tài)”調(diào)制以減少差分EMI。在傳統(tǒng)的差分工作方式中,半橋A的輸出極性必須與半橋B的輸出極性相反。只存在兩種差分工作狀態(tài):輸出A高(1),輸出B低(0);輸出A低(0),輸出B高(1)。但是,還存在另外兩個(gè)共模狀態(tài),即兩個(gè)半橋輸出的極性相同(都為高(1)或都為低(0))。這兩個(gè)共模狀態(tài)之一可與差分狀態(tài)配合產(chǎn)生“三態(tài)”調(diào)制,LC濾波器的差分輸入可以為(1,0,-1)。零狀態(tài)可用于表示低功率水平,代替“兩態(tài)”方案中在正狀態(tài)和負(fù)狀態(tài)之間的開關(guān)。在零狀態(tài)期間,LC濾波器的差分動(dòng)作非常小,雖然實(shí)際增加了共模EMI,但減少了差分EMI,差分優(yōu)勢(shì)只適用于低功率水平,因?yàn)檎隣顟B(tài)和負(fù)狀態(tài)仍必須用于對(duì)揚(yáng)聲器提供大功率。
??? 如果D類放大器采用全差分電路結(jié)構(gòu),輸出端可以不接濾波器,或者說具有三個(gè)電平。這個(gè)三個(gè)電平是由兩個(gè)二進(jìn)制信號(hào)(0和1)之差決定的,其輸出電平可能是(1,0,-1)。在“三態(tài)”調(diào)制中,信號(hào)中的無用能量減少,因此,重建信號(hào)所需要濾掉的總量將減少,而對(duì)于某些特定的負(fù)載(具有感性的揚(yáng)聲器),本身就可以作為一個(gè)濾波元件。對(duì)于“二態(tài)”調(diào)制器,在揚(yáng)聲器之前串聯(lián)一個(gè)LC濾波器,由于采用“三態(tài)”調(diào)制,對(duì)外接濾波器的要求更低,以至可以不用外接LC濾波器,見圖2,僅用具有感性的揚(yáng)聲器作為濾波元件就足夠了。當(dāng)然,全差分電路系統(tǒng)同樣可以提高CMRR性能。

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??? 根據(jù)以上分析,設(shè)計(jì)出了圖2所示的D類放大器結(jié)構(gòu)。輸入信號(hào)與輸出端的反饋信號(hào)進(jìn)行疊加,產(chǎn)生一誤差信號(hào),通過模擬積分器后與三角波進(jìn)行比較得到PWM波形,PWM波通過控制功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)負(fù)載。由于輸出級(jí)是數(shù)字信號(hào),因此反饋信號(hào)必須進(jìn)行低通濾波后,與輸入信號(hào)疊加。反饋回路使用了二階低通濾波器。
2 電路實(shí)現(xiàn)
??? 在研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性之前,對(duì)電路的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行一些討論,這是因?yàn)橄到y(tǒng)的穩(wěn)定性依賴一些寄生以及電路結(jié)構(gòu)的選擇。
??? 圖3描述了D類放大器的電路實(shí)現(xiàn),反饋環(huán)路由二階的低通濾波器組成。由于輸出信號(hào)是一高頻信號(hào),二階低通濾波器將濾掉輸出端的載波信號(hào),積分器由一階低通濾波器組成,對(duì)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)求和后進(jìn)行積分,積分器的輸出加到比較器的同相端,比較器的反相端加三角波,比較器的輸出控制功率開關(guān)管。

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????本電路中最重要的模塊是全差分運(yùn)算放大器,其電路如圖4所示。其中偏置電路和共模反饋略去,由于輸入信號(hào)電平比較低,采用PMOS晶體管做輸入級(jí),輸出要求幅度比較大,故第二級(jí)采用共源級(jí)來提高輸出端的幅度。PWM比較器采用Rail-to-Rail輸入比較器,這樣使輸入信號(hào)的共模范圍得到提高[2]。開關(guān)功率管的輸出驅(qū)動(dòng)采用死區(qū)控制時(shí)間,以避免開關(guān)功率管同時(shí)導(dǎo)通,產(chǎn)生大的尖峰電流,損壞開關(guān)功率晶體管,同時(shí)也影響功率放大器的效率。

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3 穩(wěn)定性分析
?????在比較器的輸出,“兩態(tài)”PWM信號(hào)的平均幅度可以表示成:
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k表示比較器的有效增益[4-5],Vin和Vout分別是PWM比較器的輸入和輸出。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率比三角波信號(hào)頻率低得多時(shí),這個(gè)表達(dá)式被用來驗(yàn)證這個(gè)線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。一般來講,音頻信號(hào)的頻率范圍在20Hz~20kHz,三角波的頻率選擇在250kHz~300kHz范圍內(nèi)。
??? 對(duì)于圖3所示的系統(tǒng),可以得到其閉環(huán)傳輸函數(shù)為:
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其中:定義為比較器的有效增益??梢钥闯稣麄€(gè)環(huán)路的增益整個(gè)系統(tǒng)是個(gè)三階系統(tǒng),因此穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定,要求反饋回路的-3dB頻率點(diǎn)近似為三角波的采樣頻率,設(shè)計(jì)成300kHz,而模擬積分器的-3dB頻率小于采樣頻率的1/4[7],設(shè)計(jì)成65kHz。
4 電路仿真與分析
??? 本文所設(shè)計(jì)的D類放大器,閉環(huán)幅頻響應(yīng)如圖5所示,利用0.5μm CSMC DPTM CMOS工藝模型進(jìn)行仿真分析,對(duì)于4Ω的負(fù)載,電源電壓3.6V最大輸出功率為1.3W,THD為10%;輸出功率為0.1W時(shí),THD+N小于0.06%。如果電源電壓為5V,負(fù)載為8Ω輸入信號(hào)頻率為10kHz,輸出功率為1.3W,得到THD為0.13%,對(duì)輸出波形進(jìn)行FFT分析,結(jié)果如圖6所示。

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??? 本文設(shè)計(jì)出了無外接濾波器的D類音頻功率放大器,從而減小了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本和外接元件,放大器采用全差分電路結(jié)構(gòu),同時(shí),為了能夠抑制電源和襯底噪聲,系統(tǒng)引入負(fù)反饋,通過HSPICE仿真,電源電壓為3.6V時(shí),放大器THD小于0.06%,PSRR大于60dB;輸出最大功率為1.3W,效率高于88%,適用于使用電池供電的便攜式設(shè)備產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)
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