PWM型D类音频功率放大器的设计

PWM型D类音频功率放大器的设计

摘 要：D类音频功放具有高效、节能、小型化的优点，广泛应用于便携式产品、家庭AV设备及汽车音响等多个领域。文章设计了一款工作于5V电源电压并采用PWM来实现的D类音频功率放大器，整个系统包含了输入放大级、误差放大器、比较器、内部振荡电路、驱动电路、全桥开关电路及基准电路。通过引入反馈技术来减小系统的THD指数，采用双路反宽调制方案不仅抑制了D类音频功率放大器的静态功耗，而且达到了去除D类音频功率放大器输出端低通滤波器的目的，减小了系统的体积。

关键词： PWM；D类功率放大器；效率；失真度

中图分类号：TN949.199文献标识码：B

The Design of a Class D Audio Power Amplifier with PWM Modulation

CAI Yan-yan, LI Wen-fang

(HuangHe Science and Technology Colledge, Electronic and information engineering Department, Zhengzhou Henan 450062, China)

Abstract: With the advantages of high efficiency, energy saving and small size, the class D amplifier is used extensively in portable applications, home AV equipment, car audio and so on. In this paper, the Class D audio power amplifier with PWM and 5V supply is presented. The entire circuit contains a preamplifier, an error amplifier, comparators, oscillator, gate-driver circuit, full-bridge, and reference circuit. Feedback is applied to reduce the total harmonic distortion. A dual PWM scheme is used to minimize static power consumption of the system, and it also removes the LPF, makes the system smaller.

Keywords:PWM; Class D power amplifierP; efficiency; Distortion

引 言

D类放大器是一种具有极高工作效率的开关功率放大器，被放大的信号并非为直接输入信号，而是经采样变换为脉宽变化的开关信号，使功率开关管均处于开关状态。理想状态下，功率开关管导通没有电压降，关断时没有电流流过，效率可达100%。但实际中，由于受器件限制（如开关速度、漏电流、导通电阻不为零等）和设计上的不完善，其实际效率通常可达到90%以上，同线性放大器相比，具有较大的优势，目前已经在一些高档产品中得到应用并投放市场。本文设计的D类音频功率放大器主要基于以下三个方面考虑：保证高保真度、提高效率和减小体积。

1D类音频功放的系统设计

本文所设计的D类音频功率放大器的系统结构如图1所示。该放大器结构是基于双边自然采样技术方案实现的，在任一时刻输出所包含的信息量都是单边采样方案的两倍，通过双边自然采样还可以把输出音频信号中大量的失真成分移除到人耳所能感应到的音频带宽范围之外，达到去除D类音频功率放大器输出端低通滤波器的目的。 在图1中，对电容Cs充放电的电流I1、I2由Vout1、Vout2、Vin、R1、Rf1、R2和Rf2共同决定，其中电阻和电容必须具有良好的线性度和匹配性，以获得良好的闭环性能。

开环D类音频功率放大器的模型如图2所示。

此时系统输出为：

Vout1= HfVin+Vn（1）

开环系统的总谐波失真为：

式（2）中的Vin为放大器的输入信号，Vn为引入的谐波失真，Hf为传递函数。

具有反馈环路的D类音频功率放大器的模型如图3所示。

此时系统的输出为：

其中Hfb为闭环模型的传递函数，G为反馈增益。为了得到相等的放大倍数，设计传递函数为：

Hf = Hfb/(1+HfbG)（4）

则式（3）变为：

Vout2 = HfVin+Vn/(1+HfbG)（5）

闭坏系统的总谐波失真为：

比较式（2）和式（6）可以看出，具有反馈环路闭环系统THD为开环系统THD的1/(1+HfbG)，即通过反馈结构减小了系统的THD。

2单元电路设计实现

系统单元电路主要包括：输入放大级、误差放大器、比较器、驱动电路、全桥开关电路、内部振荡电路和基准电路。

2.1输入放大级

D类音频功率放大器的输入放大级是基于运算放大器（OTA）的闭环结构来实现的，其结构如图4所示，用来根据需要对输入的音频信号作电平调整和信号放大处理，使输入信号在幅度方面能满足后级电路的要求，输入放大级的增益可以通过设置Rf1和R1的阻值来决定。

2.2比较器

本文所采用的比较器电路如图5所示，比较器电路由三级构成，即输入预放大级、判断级（或正反馈级）和输出数字整形缓冲级。预放大级采用有源负载的差分放大器来实现，其放大倍数不用很大，用来进行输入信号的放大，以提高比较器的敏感度，并把比较器的输入信号与来自正反馈级的开关噪声隔离开；判断级用来将预放大级的信号进一步放大，为比较器的核心部分，电路中通过把m8与m9的栅极交叉互连实现正反馈，以具备能够分辨非常小的信号的能力，并提高此级电路的增益；输出缓冲级是一个自偏置的差分放大器，它的输入是一对差分信号，用来把判断级的输出信号转化成逻辑电平（0V或5V），即输出高电平VOH=VDD，输出低电平VOL=GND。

2.3内部振荡电路 由图6可知，VT初始电压值为零，电路上电时，由于0

2.4全桥开关电路

输出级采用N、P型功率开关对管组成的全桥开关电路实现，其结构及负载电流流向如图7所示。

全桥开关电路工作在开关模式，随着输入信号的改变，m1～m4的状态随之转换，始终只有对角一对功率开关管导通，另一对截止。

2.5驱动电路

2.6基准电路

本文所设计的带隙电压基准源结构如图10所示，主要由核心电路与启动电路两部分组成。 电路上电时偏置电路可能会出现零电流的情况，需要启动电路保证电路能够正常工作。电路不工作时，EN、Vs1为0，Vs2、Vs3为1，M15、M17不通，运放输出为高，M3～M6也不通，整个电路不消耗电流。当EN由0变成1时，由于C1的作用，Vs1保持为0，Vs2为1，Vs3变为0，此时M15、M17导通，inp、inn分别被拉到0、1，运放输出变为0，M3～M6导通，M13、M14支路开始有电流，并对C1充电，直到Vs1高过I2阈值电压时，Vs2变为0，Vs3则变为1，M15、M17关断。最终电路偏离零电流状态，开始正常工作，且Vs1充至电源电压，整个启动电路不再消耗电流。

3结论

本文研究了基于PWM调制技术D类音频功率放大器的工作原理，通过引入反馈技术减小了D类音频功率放大器的THD；通过逐级增加驱动能力的方式减小了必要的死区时间，保证了更低的失真度；采用双路反宽调制方案，一方面抑制了系统的静态功耗，另一方面去除了输出级的LC低通滤波器，达到了减小系统成本和体积的目的。

参考文献 [2] 钟清华. D类音频功率放大器的PWM改进方案与实现[J]. 电声技术，2004，10（7）：33-36. [4] Choi S C, Lee J W, Jin WK, et a1. 10-W Single-Chip Class D Power Amplifier with very high efficiency for audio applications[C]. International Conference on Consumer Electronics, 1999, 18-19.

[5] Krit S, Hassan Q. Class D audio Amplifier with trim-able Ramp Generator design theory and design implementation for portable applications[C]. IEEE International Conference on Design & Technology of Integrated Systems, 2007, 208-212.

作者简介：蔡艳艳（1982-），女，河南郑州人，毕业于郑州大学，硕士研究生，现就职于黄河科技学院，研究方向为电路与系统、图像处理，E-mail：51861557@qq.com。