- D 類音頻功放的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- D 類音頻功放單元電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
- D 類音頻功放單元電路設(shè)計(jì)
D 類音頻功放具有高效、節(jié)能、小型化的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品、家庭AV 設(shè)備及汽車(chē)音響等多個(gè)領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的D 類音頻功率放大器主要基于以下三個(gè)方面考慮:保證高保真度、提高效率和減小體積。文章設(shè)計(jì)了一款工作于5V 電源電壓并采用PWM 來(lái)實(shí)現(xiàn)的D 類音頻功率放大器,整個(gè)系統(tǒng)包含了輸入放大級(jí)、誤差放大器、比較器、內(nèi)部振蕩電路、驅(qū)動(dòng)電路、全橋開(kāi)關(guān)電路及基準(zhǔn)電路。通過(guò)引入反饋技術(shù)來(lái)減小系統(tǒng)的THD 指數(shù),采用雙路反寬調(diào)制方案不僅抑制了D 類音頻功率放大器的靜態(tài)功耗,而且達(dá)到了去除D 類音頻功率放大器輸出端低通濾波器的目的,減小了系統(tǒng)的體積。
1 D 類音頻功放的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的D 類音頻功率放大器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該放大器結(jié)構(gòu)是基于雙邊自然采樣技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的,在任一時(shí)刻輸出所包含的信息量都是單邊采樣方案的兩倍,通過(guò)雙邊自然采樣還可以把輸出音頻信號(hào)中大量的失真成分移除到人耳所能感應(yīng)到的音頻帶寬范圍之外,達(dá)到去除D 類音頻功率放大器輸出端低通濾波器的目的。
圖1 D 類音頻功率放大器結(jié)構(gòu)
在圖1 中,對(duì)電容Cs 充放電的電流I1、I2 由Vout1、Vout2、Vin、R1、Rf1、R2 和Rf2 共同決定,其中電阻和電容必須具有良好的線性度和匹配性,以獲得良好的閉環(huán)性能。
開(kāi)環(huán)D 類音頻功率放大器的模型如圖2 所示。
圖2 開(kāi)環(huán)D 類音頻功率放大器模型
此時(shí)系統(tǒng)輸出為:
開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的總諧波失真為:
式(2)中的Vin 為放大器的輸入信號(hào),Vn 為引入的諧波失真,Hf 為傳遞函數(shù)。
具有反饋環(huán)路的D 類音頻功率放大器的模型如圖3 所示。
圖3 閉環(huán)D 類音頻功率放大器模型
其中Hfb 為閉環(huán)模型的傳遞函數(shù),G 為反饋增益。為了得到相等的放大倍數(shù),設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)為:
則式(3)變?yōu)椋?br />
閉壞系統(tǒng)的總諧波失真為:
比較式(2)和式(6)可以看出,具有反饋環(huán)路閉環(huán)系統(tǒng)THD 為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)THD 的1/(1+HfbG),即通過(guò)反饋結(jié)構(gòu)減小了系統(tǒng)的THD。
2 單元電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)單元電路主要包括:輸入放大級(jí)、誤差放大器、比較器、驅(qū)動(dòng)電路、全橋開(kāi)關(guān)電路、內(nèi)部振蕩電路和基準(zhǔn)電路。
2.1 輸入放大級(jí)
D 類音頻功率放大器的輸入放大級(jí)是基于運(yùn)算放大器(OTA)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,用來(lái)根據(jù)需要對(duì)輸入的音頻信號(hào)作電平調(diào)整和信號(hào)放大處理,使輸入信號(hào)在幅度方面能滿足后級(jí)電路的要求,輸入放大級(jí)的增益可以通過(guò)設(shè)置Rf1和R1 的阻值來(lái)決定。
圖4 輸入放大級(jí)電路結(jié)構(gòu)
2.2 比較器
本文所采用的比較器電路如圖5 所示,比較器電路由三級(jí)構(gòu)成,即輸入預(yù)放大級(jí)、判斷級(jí)(或正反饋級(jí))和輸出數(shù)字整形緩沖級(jí)。預(yù)放大級(jí)采用有源負(fù)載的差分放大器來(lái)實(shí)現(xiàn),其放大倍數(shù)不用很大,用來(lái)進(jìn)行輸入信號(hào)的放大,以提高比較器的敏感度,并把比較器的輸入信號(hào)與來(lái)自正反饋級(jí)的開(kāi)關(guān)噪聲隔離開(kāi);判斷級(jí)用來(lái)將預(yù)放大級(jí)的信號(hào)進(jìn)一步放大,為比較器的核心部分,電路中通過(guò)把m8 與m9 的柵極交叉互連實(shí)現(xiàn)正反饋,以具備能夠分辨非常小的信號(hào)的能力,并提高此級(jí)電路的增益;輸出緩沖級(jí)是一個(gè)自偏置的差分放大器,它的輸入是一對(duì)差分信號(hào),用來(lái)把判斷級(jí)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化成邏輯電平(0V 或5V),即輸出高電平VOH=VDD,輸出低電平VOL=GND。
圖5 比較器電路圖
本文采用的三角波產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)如圖6 所示,其中m5、m6 和m7、m8 構(gòu)成了兩組恒流源,m9~m13 和Q1 構(gòu)成了輸出級(jí)。在電路中,采用將輸出信號(hào)VT 分別反饋到比較器comp1 和comp2,與參考電平VREF1 和VREF2(VREF2<VREF1)進(jìn)行比較,并通過(guò)一組數(shù)字電路產(chǎn)生兩路反向的時(shí)鐘信號(hào)clk 與clk0,來(lái)控制m2 和m3 的開(kāi)啟和關(guān)斷,從而達(dá)到對(duì)電容C 進(jìn)行充放電,產(chǎn)生三角波信號(hào)VT 的目的。
圖6 三角波產(chǎn)生電路
2.4 全橋開(kāi)關(guān)電路
輸出級(jí)采用N、P 型功率開(kāi)關(guān)對(duì)管組成的全橋開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn),其結(jié)構(gòu)及負(fù)載電流流向如圖7 所示。
圖7 全橋電路結(jié)構(gòu)及負(fù)載電流示意圖
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2.5 驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖8 所示,該電路能有效調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間(N 型、P 型功率開(kāi)關(guān)管同時(shí)關(guān)斷),防止單臂"shoot- through"現(xiàn)象,并有保護(hù)關(guān)斷功能。輸入信號(hào)為比較器輸出的PWM 脈沖信號(hào),PWM1用來(lái)驅(qū)動(dòng)N 型功率開(kāi)關(guān)管,PWM2 用來(lái)驅(qū)動(dòng)P 型功率開(kāi)關(guān)管。為了避免全橋開(kāi)關(guān)電路中的單臂"shoot- through"現(xiàn)象,當(dāng)PWM 信號(hào)從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí),PWM2 應(yīng)首先變?yōu)楦唠娖剑?關(guān)斷PMOS 功率開(kāi)關(guān)管,隨后PWM1 再變?yōu)楦唠娖?,開(kāi)啟NMOS 功率開(kāi)關(guān)管,如圖9 所示;反之,當(dāng)PWM 信號(hào)從高變?yōu)榈蜁r(shí),PWM1 先變?yōu)榈碗娖?,關(guān)斷NMOS 開(kāi)關(guān)功率管,隨后PWM2 再變?yōu)榈碗娖?,開(kāi)啟PMOS 開(kāi)關(guān)功率管。實(shí)際電路中,可以根據(jù)需要通過(guò)控制延遲單元的控制位Tc 來(lái)調(diào)整死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短。為減小失真,必須減小死區(qū)時(shí)間,該驅(qū)動(dòng)電路采用了逐級(jí)增加驅(qū)動(dòng)能力的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)功率管,從而減小了必要的死區(qū)時(shí)間,保證了低失真度。
圖8 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)
圖9 死區(qū)時(shí)間
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2.6 基準(zhǔn)電路
本文所設(shè)計(jì)的帶隙電壓基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)如圖10 所示,主要由核心電路與啟動(dòng)電路兩部分組成。
圖10 基準(zhǔn)電路
電路上電時(shí)偏置電路可能會(huì)出現(xiàn)零電流的情況,需要啟動(dòng)電路保證電路能夠正常工作。電路不工作時(shí),EN、Vs1 為0,Vs2、Vs3 為1,M15、M17 不通,運(yùn)放輸出為高,M3~M6 也不通,整個(gè)電路不消耗電流。當(dāng)EN 由0 變成1 時(shí),由于C1 的作用,Vs1 保持為0,Vs2 為1,Vs3 變?yōu)?,此時(shí)M15、M17 導(dǎo)通,inp、inn 分別被拉到0、1,運(yùn)放輸出變?yōu)?,M3~M6 導(dǎo)通,M13、M14 支路開(kāi)始有電流,并對(duì)C1 充電,直到Vs1 高過(guò)I2 閾值電壓時(shí),Vs2 變?yōu)?,Vs3 則變?yōu)?,M15、M17 關(guān)斷。最終電路偏離零電流狀態(tài),開(kāi)始正常工作,且Vs1 充至電源電壓,整個(gè)啟動(dòng)電路不再消耗電流。
3 結(jié)論
本文研究了基于PWM 調(diào)制技術(shù)D 類音頻功率放大器的工作原理,通過(guò)引入反饋技術(shù)減小了D 類音頻功率放大器的THD;通過(guò)逐級(jí)增加驅(qū)動(dòng)能力的方式減小了必要的死區(qū)時(shí)間,保證了更低的失真度;采用雙路反寬調(diào)制方案,一方面抑制了系統(tǒng)的靜態(tài)功耗,另一方面去除了輸出級(jí)的LC低通濾波器,達(dá)到了減小系統(tǒng)成本和體積的目的。