基于雙邊自然采樣技術(shù)實現(xiàn)D類音頻功率放大器的環(huán)路設(shè)計

D類音頻功率放大器具有效率高、功耗低的優(yōu)點，采用D類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)用于無線和手持通信設(shè)備，主要應(yīng)用在PDA、移動電話和類似的手持移動通信工具的設(shè)計和產(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)量音頻性能和擴展了混合能力的同時實現(xiàn)了低功耗。

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

如圖1所示，這個音頻功率放大器包含一個音頻通道，一個振蕩器、一個基準電壓電流源和一個過流保護電路。這個音頻通道包含有一個控制單元，控制單元把輸入音頻信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制（PWM）信號，然后PWM信號驅(qū)動這個音頻功率放大器的開關(guān)功率級，經(jīng)過開關(guān)功率級輸出的信號被重新反饋到積分器的輸入端，反饋環(huán)路用來改善音頻功率放大器的電源抑制比（PSRR）和總諧波失真（THD）。在輸出端使用一個低通的二階濾波器來解調(diào)出音頻信號和抑制高頻能量，在這個音頻功率放大器的設(shè)計中優(yōu)化了的系統(tǒng)設(shè)計取消了外接的低通輸出濾波器來降低系統(tǒng)應(yīng)用成本。

保護模塊主要包括過流保護，使這個音頻功率放大器在誤操作和負載電阻被燒毀的情況下能夠保護音頻功率放大器不被燒毀。

在振蕩器的設(shè)計中，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，但是這個振蕩器的振蕩頻率相對于外接電阻的振蕩器的振蕩頻率來講，其工藝偏差的影響會更大。

這個音頻功率放大器的PWM調(diào)制方法是基于雙邊自然采樣技術(shù)。PWM信號可以直接通過比較音頻輸入信號（audio input）和三角波信號（triangulaI waveform）得到，如圖2所示，這個三角波的的頻率稱為載波頻率，輸入信號的幅度和載波信號的幅度之比稱之為調(diào)制深度（modulation depth），PWM頻譜中并不直接的包含調(diào)制信號的諧波，也就是說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，PWM調(diào)制的增益是輸出PWM信號幅度和輸入三角波幅度之比：

上式中的Vp是PWM輸出信號的幅度，VT是輸入三角波信號的幅度。

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

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

系統(tǒng)開環(huán)時的情況如圖4所示，整個開環(huán)環(huán)路的增益可由下式推出：

由式（3）、（4）可得出這個環(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，VE為積分器的輸出波形，VT為振蕩器的輸出波形，這兩個三角波互相穿通，輸出改變方向。為了使這個音頻功率放大器能夠正常工作，這個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，更為準確性的說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：

當有一個正輸入信號電流注入這個環(huán)路時，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，輸出信號的占空比開始發(fā)生變化。

當輸入信號的電流Iin等于反饋信號的電流Ifb時，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有輸入信號時斜率的兩倍，整個環(huán)路收斂和穩(wěn)定性的標準是：

在這個環(huán)路系統(tǒng)中，僅存在一個極點。

系統(tǒng)環(huán)路中包含一個極點，環(huán)路的穩(wěn)定性標準是在增益為0dB時，電路的相位裕度大于60°。也可以在這個環(huán)路系統(tǒng)中引入一個LPH零點來創(chuàng)建一個二階環(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，因此將會在音頻范圍內(nèi)具有更好的THD性能和PSRR性能。

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