PWM型D类音频功率放大器的设计_蔡艳艳

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。
1 D 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。
图 4 输入放大级电路结构
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 m 8 与 m 9 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。
系 统 采 用 单 电 源 供 电 ， 脉 冲 信 号 “out1”和 “out2”的高低电平分别为 VDD 和 GND，输入放大级
由运算放大器 OTA 的闭环结构实现，误差放大器则
图 2 开环 D 类音频功率放大器模型
此时系统输出为：
Vout1= HfVin+ Vn 开环系统的总谐波失真为：
∞
姨Σ THD1=
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
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，m 1～m 4 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
驱动电路结构如图 8 所示，该电路能有效调节 死区时间（N 型、P 型功率开关管同时关断），防止 单臂“s hoot- through”现象，并有保护关断功能。输 入 信 号 为 比 较 器 输 出 的 PWM 脉 冲 信 号 ，PWM1 用来驱动 N 型功率开关管，PWM2 用来驱动 P 型 功率开关管。为了避免全桥开关电路中的单臂 “s hoot- through”现 象 ，当 PWM 信 号 从 低 电 平 变 为 高 电 平 时 ，PWM2 应 首 先 变 为 高 电 平 ， 关 断 PMOS 功率开关管，随后 PWM1 再变为高电平， 开启 NMOS 功率开关管，如图 9 所示；反之，当 PWM 信号从高变为低时，PWM1 先变为低电平， 关断 NMOS 开关功率管，随后 PWM2 再变为低电 平，开启 PMOS 开关功率管。实际电路中，可以根
下三个方面考虑：保证高保真度、提高效率和减小体
积。
由运算放大器 OTA 与电容 Cs 构成。系统工作时，音 频输入信号 Vin 首先经过输入放大级后输出两路差分 信号，再与反馈信号求和送到误差放大器中产生误差 信号 VE1、VE2，对三角波载波信号 VT 进行调制，输出两 路脉冲信号“out1”和“out2”以驱动扬声器发声。系统 包含两个反馈环路，第一个由 R1、Rf1 和 OTA 组成，用 来设置输入放大级和整个 D 类音频功率放大器的增 益，第二个由 R2、Rf2 和后端音频信号处理电路组成， 用来减小系统的 THD 指数。
收 稿 日 期 ：2011-06-07
Aug. 2011，总第 127 期
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蔡艳艳，李文方：PWM 型 D 类音频功率放大器的设计
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
技 术
经采样变换为脉宽变化的开关信号，使功率开关管
Department, Zhengzhou Henan 450062, China)
Abstract: With the advantage s of high e fficie ncy, e ne rgy s aving and s m all s ize , the clas s D am plifie r is us e d e xte ns ive ly in portable applications , hom e AV e quipm e nt, car audio and s o on. In this pape r, the Clas s D audio pow e r am plifie r w ith PWM and 5V s upply is pre s e nte d. The e ntire circuit contains a pre am plifie r, an e rror am plifie r, com parators , os cillator, gate - drive r circuit, full- bridge , and re fe re nce circuit. Fe e dback is applie d to re duce the total harm onic dis tortion. A dual PWM s che m e is us e d to m inim ize s tatic pow e r cons um ption of the s ys te m , and it als o re m ove s the LPF, m ake s the s ys te m s m alle r. Keywords: PWM; Clas s D pow e r am plifie rP; e fficie ncy; Dis tortion
交 均处于开关状态。理想状态下，功率开关管导通没有
流 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
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。
为：
Hf = Hfb/(1+HfbG) 则式（3）变为：
（4）
Vout2 = HfVin+ Vn/(1+ HfbG) 闭坏系统的总谐波失真为：
（5）
∞
姨Σ THD2=
（Vn）2 / 姨HfVi（n 1+HfbG）姨
2
（6）
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。
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
2.3 内部振荡电路
本文采用的三角波产生电路结构如图 6 所 示 ，其 中 m 5 、m 6 和 m 7 、m 8 构 成 了 两 组 恒 流 源 ， m 9 ～m 13 和 Q1 构成了输出级。在电路中，采用 将 输 出 信 号 VT 分 别 反 馈 到 比 较 器 com p1 和 com p2 ，与 参 考 电 平 VREF1 和 VREF2（VREF2< VREF1）进 行 比较，并通过一组数字电路产生两路反向的时钟 信 号 clk 与 clk0 ， 来 控 制 m 2 和 m 3 的 开 启 和 关 断 ，从 而 达 到 对 电 容 C 进 行 充 放 电 ，产 生 三 角 波 信号 VT 的目的。
由图 6 可知，VT 初始电压值为零，电路上电时， 由于 0<VREF2<VREF1，此时比较器 com p1 输出为高电 平，比较器 com p2 输出为低电平，使得时钟信号 clk
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蔡艳艳，李文方：PWM 型 D 类音频功率放大器的设计
蔡艳艳，李文方：PWM 型 D 类音频功率放大器的设计 文章编号：１００６－６２６８（２０１１）０８－００２５－０６
PWM 型 D 类音频功率放大器 技
术wk.baidu.com
交
的设计
流
蔡艳艳，李文方 （黄河科技学院电子信息工程系，河南郑州 450062）
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
（Vn）2 （/ HfVin）
2
（1） （2）
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图 1 D 类音频功率放大器结构
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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。
技 术 交 流
图 5 比较器电路图
图 6 三角波产生电路
为低电平、clk0 为高电平，m 1、m 3 导通，m 2、m 4 关 断，电源通过 m 3、m 5、m 6 向电容 C 充电，VT 上升， 当 VT=VREF2 时，clk 仍为低电平、clk0 仍为高电平不 变，VT 电位继续上升，直到 VT=VREF1 时，clk 变为高电 平，clk0 变为低电平，m 2、m 4 开启，m 1、m 3 截止， 电容 C 通过 m 2、m 7、m 8 向地放电，VT 下降，当 VT= VREF3 时，时钟信号 clk 再次变为低电平，clk0 变为高 电平，重新开始对电容 C 充电，如此循环便产生了 三角波信号 VT，其幅值为 VREF1- VREF2，频率由电容 C 的取值和充放电的电流大小决定。
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技 术 交 流
图 7 全桥电路结构及负载电流示意图
图 8 驱动电路结构
动电路采用了逐级增加驱动能力的方式来驱动功率 管，从而减小了必要的死区时间，保证了低失真度。 EN 是控制模块的使能信号，正常工作为高电平；当 出现过流、过温等情况时，则变为低电平，关断全桥 功率开关电路。
具有反馈环路的 D 类音频功率放大器的模型 如图 3 所示。
技 术 交 流
图 3 闭环 D 类音频功率放大器模型
此时系统的输出为：
Vout2=
HfbVin 1 + HfbG
+ Vn HfbG
（3）
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