數(shù)字多媒體中的D類(lèi)音頻功率放大器分析

林正好

摘 要：功率放大器是收發(fā)信機(jī)中最重要的耗能元件。隨著人們對(duì)通信產(chǎn)業(yè)的需求越來(lái)越高，使得無(wú)線(xiàn)通信存在的耗能問(wèn)題也廣泛受到人們的關(guān)注。在整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的耗能占了很大比重，因此，如何提高功率放大器的功放效率是當(dāng)下很多數(shù)字多媒體制造商追求的目標(biāo)。本文主要分析了D類(lèi)音頻功率放大器電路組成結(jié)構(gòu)以及工作原理，并分析了功放抑制電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性因素，希望能提高數(shù)字多媒體音頻功率效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字多媒體；D類(lèi)音頻；功率放大器

中圖分類(lèi)號(hào)： TN72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

最大效率分類(lèi)：A 類(lèi)放大器為 50%，B 類(lèi)放大器為 79.5%，而C 類(lèi)放大器高達(dá) 100%。當(dāng)效率為100%時(shí)，就沒(méi)有輸出功率，由此可見(jiàn)，不能如此來(lái)設(shè)計(jì)功率放大器。由負(fù)載線(xiàn)理論可知，負(fù)載阻抗決定晶體管的最大輸出功率，影響其最大效率。應(yīng)用在電視機(jī)中影響到電視機(jī)播出音效效果。D類(lèi)音頻所采用的功率放大器的原理是建立在PWM工作模式的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比與分析采樣頻率與音頻信號(hào)，來(lái)得到脈沖寬度和音頻信號(hào)幅度比例變化的PWM波，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路和功率MOS柵極，實(shí)現(xiàn)功率放大，將放大后的PWM信號(hào)輸送到濾波器，低濾波器將大功率的PWM波形聲音信息還原。如果處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其運(yùn)行效率可達(dá)到80%以上，而不會(huì)造成非線(xiàn)性失真，從而提高輸出聲音的質(zhì)量。

一、電路設(shè)計(jì)

（一）電路系統(tǒng)框圖與原理

在D類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)中，其組成部分包括前置放大模塊、功率輸出模塊、PWM調(diào)制模塊以及反饋環(huán)路。其中反饋環(huán)路1是將前置放大器轉(zhuǎn)變成積分器，以此來(lái)提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。而反饋環(huán)路2的組成部分即為兩個(gè)可調(diào)節(jié)電阻。D類(lèi)音頻功率放大器的工作原理是：首先輸入Vin+和Vin-的音頻信號(hào)，并接收到兩個(gè)由前置放大器發(fā)出的相反相位的音頻信號(hào)，然后組裝固定PWM電路，其組成部分為載波三角波與比較器。信號(hào)的幅度可以導(dǎo)通一個(gè)功率，而截止另一個(gè)功率，并講濾波器方波變?yōu)橐纛l信號(hào)，以此來(lái)促使揚(yáng)聲器發(fā)出信號(hào)。放大器所具備的濾波特性是需要用全橋的D類(lèi)放大器進(jìn)行改善的，這樣可以防止其干擾音頻信號(hào)，達(dá)到輸出平衡的效果。

（二） PWM調(diào)制模塊

PWM調(diào)制模塊包括PWM比較器和振蕩器，PWM比較器用三角波進(jìn)行調(diào)制。PWM載波信號(hào)使用三角波，A/D為轉(zhuǎn)換調(diào)制級(jí)，對(duì)輸入模擬音頻信號(hào)進(jìn)行采樣工作。

將音頻信號(hào)源接入PWM比較器同向輸入端口，三角波信號(hào)則接入反向端口。如果三角波信號(hào)比音頻輸入端信號(hào)電平要低，則表示PWM比較器比電平HV的輸出要高，如果三角波信號(hào)比音頻輸入端信號(hào)電平要高，則表示PWM比較器比電平HV的輸出要低，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)會(huì)將輸入的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM波，這是D類(lèi)音頻功率放大器的核心構(gòu)件，所以對(duì)構(gòu)件的要求比較高，三角波信號(hào)好、振蕩頻率比較穩(wěn)定、精度高、運(yùn)行效率快。PWM與三角波調(diào)制信號(hào)相比，調(diào)制信息比較豐富是單邊三角波調(diào)制的2倍。其次信號(hào)諧波的幅值衰減地比較快，從而有效地避免了諧波失真現(xiàn)象，能提高音頻質(zhì)量。

（三） 全橋輸出級(jí)

D類(lèi)音頻功率輸出級(jí)是開(kāi)關(guān)級(jí)反大氣，輸出擺幅為VCC。MOSFET是比較理想的開(kāi)關(guān)，關(guān)掉MPSFET開(kāi)關(guān)以后，系統(tǒng)導(dǎo)通電流為0，這個(gè)時(shí)候不產(chǎn)生功率損耗；開(kāi)啟MPSFET開(kāi)關(guān)以后，整個(gè)導(dǎo)通兩端電壓幾乎為0，在工作周期內(nèi)，MOSFET沒(méi)有無(wú)功損耗，所以理論上D類(lèi)功率的轉(zhuǎn)換效率接近100%。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，還要考慮到兩種功耗類(lèi)型，一種是MOSFET傳導(dǎo)損耗，一種是輔助電路功耗，導(dǎo)致整個(gè)電路功耗能夠高達(dá)90%。但D類(lèi)音頻功率放大器具有高轉(zhuǎn)換率，以此可以降低芯片消耗的熱量，溫度升高地比較慢，在設(shè)計(jì)的時(shí)候可以不考慮散熱片的散熱性能，因此D類(lèi)音頻功率放大器的節(jié)能效果比較顯著。

（四） 負(fù)反饋

LPF電路是一種負(fù)反饋，它將需要檢測(cè)的輸出音頻反饋到了輸入信號(hào)與電路的輸入級(jí)中，并做出了相應(yīng)的補(bǔ)償、去噪音以及校正處理，放線(xiàn)性度得到了改善，避免諧波干擾電源電壓。LPE電路的負(fù)反饋功能可以減小輸出級(jí)、通帶內(nèi)因脈沖寬度調(diào)制以及電源電壓所制造的噪音，以此來(lái)促使輸入信號(hào)與輸入的低頻測(cè)成分保持一致，獲得更好的音頻功效，豐富THD效果。

二、D類(lèi)功放抑制電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）死區(qū)校正

全橋MOSFET管輪流成對(duì)導(dǎo)通信號(hào)的幅度可以導(dǎo)通一個(gè)功率，而截止另一個(gè)功率，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于功率導(dǎo)管開(kāi)啟和關(guān)掉需要一個(gè)過(guò)程，在開(kāi)關(guān)或者開(kāi)啟的時(shí)候，有一瞬間是沒(méi)有徹底關(guān)閉或者開(kāi)啟的情況：當(dāng)還沒(méi)有完全關(guān)閉IN1/IN3開(kāi)關(guān)時(shí)，就已經(jīng)導(dǎo)通IN2/IN4。而MOSFET全部都在電源兩段跨接著，因此縮短了極端事件發(fā)生時(shí)間，可能產(chǎn)生很大的電壓電流在4個(gè)MOSFET上，進(jìn)一步增加功率損耗，導(dǎo)致整個(gè)D類(lèi)音頻功率放大器工作效率降低，各個(gè)元件溫度升高比較快，破壞MOSFET比較器。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了避免兩對(duì)導(dǎo)通同步處于導(dǎo)通狀態(tài)，降低電路短路故障，在一對(duì)MOSFET截止和導(dǎo)通器件有一個(gè)很短暫的停止死區(qū)時(shí)間，從而確保關(guān)掉一組MOSFET后，應(yīng)立即開(kāi)啟另外一組MOSFET，減少對(duì)MOSFET的損耗。

（二） 音嗓比

音頻信號(hào)在輸出過(guò)程中，會(huì)受到電流、周?chē)h(huán)境的影響，信號(hào)中會(huì)產(chǎn)生嘶嘶聲，從而影響到播出音質(zhì)的效果。所以將D類(lèi)音頻功率放大器應(yīng)用在便攜式數(shù)字媒體結(jié)構(gòu)中，snr通道分貝須低于90db，大功率與中等功率下snr通道分貝須低于100db。這樣可以確保各類(lèi)放大器能夠滿(mǎn)足音頻播放要求，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要根據(jù)運(yùn)行的環(huán)境分析噪音源，從而確保放大器功率設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足總體snr。

（三） 電源抑制

在數(shù)字多媒體的音頻電路中，直接耦合電源噪音，將其輸出到揚(yáng)聲器，所以電源抑制效果比較弱，造成這種現(xiàn)象的主要原因是低電阻將電源通過(guò)輸出級(jí)晶體管連接到濾波器，但是低通濾波器對(duì)高頻噪音主要起到抑制作用，而對(duì)電頻噪音的抑制作用比較有限。因此，必須解決音頻信號(hào)失真和電源噪音問(wèn)題，否則很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。Ic濾波器非線(xiàn)性通過(guò)反饋環(huán)路能夠提高psr，揚(yáng)聲器會(huì)逐漸衰減，閉環(huán)D類(lèi)音頻功率放大器分貝psr>60db，thd<0.01%的高音質(zhì)效果，符合設(shè)計(jì)要求。

三、EMI處理

D類(lèi)音頻放大器自問(wèn)世以來(lái)，由于自身的軌對(duì)軌供電開(kāi)關(guān)性引起的輻射EMI成為音頻功率放大器的發(fā)展制約因素。D類(lèi)調(diào)制器中，將高頻固定頻率信號(hào)與音頻信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為WM信號(hào)，這些信號(hào)為可變脈寬的固定載波頻率，通過(guò)高壓功率MOSFET將這些PWM信號(hào)放大，然后再通過(guò)低頻濾波通道去除載頻，恢復(fù)原始的基礎(chǔ)音頻信號(hào)。擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)在不改變傳統(tǒng)調(diào)制器的音頻內(nèi)容基礎(chǔ)上，擴(kuò)展開(kāi)關(guān)PWM信號(hào)的頻譜能力，極大地改進(jìn)了傳統(tǒng)調(diào)制器高輻射EMI的問(wèn)題，對(duì)促進(jìn)D類(lèi)音頻功率放大器的發(fā)展具有重要意義。通過(guò)對(duì)TPA3101D2進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)化器件布局，也能夠降低EMI，從而使得整個(gè)電路布局更加簡(jiǎn)單。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)音頻功率放大器的電路設(shè)計(jì)、EMI處理等進(jìn)行分析，具有高效率、低能耗的特點(diǎn)，因此應(yīng)用在音頻設(shè)備中，能極大地提高音頻信號(hào)輸出質(zhì)量，具有經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]周頎，鮑雪晶.數(shù)字多媒體中的D類(lèi)音頻功率放大器[J].中國(guó)科技財(cái)富，2009（17）：107-109.endprint