D类音频功率放大器的环路设计

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D类音频功率放大器具有效率高、功耗低的优点，采用D类音频功率放大器的设备能够提高电池的寿命，它特别适合应用于无线和手持通信设备，主要应用在PDA、移动电话和类似的手持移动通信工具的设计和产品中。而大功率输出的音频设备具有很大的功耗，所以在大功率输出的音频设备中采用低功耗的D类音频功率放大器也是十分必要的，特别在集成了高质量音频性能和扩展了混合能力的同时实现了低功耗。

本文将介绍D类音频功率放大器的环路设计，表明这个D类音频功率放大器具有效率高、功耗低、谐波失真低的特点。
如图1所示，这个音频功率放大器包含一个音频通道，一个振荡器、一个基准电压电流源和一个过流保护电路。这个音频通道包含有一个控制单元，控制单元把输入音频信号转换为脉宽调制(PWM)信号，然后PWM信号驱动这个音频功率放大器的开关功率级，经过开关功率级输出的信号被重新反馈到积分器的输入端，反馈环路用来改善音频功率放大器的电源抑制比(PSRR)和总谐波失真(THD)。在输出端使用一个低通的二阶滤波器来解调出音频信号和抑制高频能量，在这个音频功率放大器的设计中优化了的系统设计取消了外接的低通输出滤波器来降低系统应用成本。





保护模块主要包括过流保护，使这个音频功率放大器在误操作和负载电阻被烧毁的情况下能够保护音频功率放大器不被烧毁。
在振荡器的设计中，把电阻和电容全部集成到了音频功率放大器的内部，应用时就可以使用最少的外接器件，节约了应用成本，但是这个振荡器的振荡频率相对于外接电阻的振荡器的振荡频率来讲，其工艺偏差的影响会更大。
这个音频功率放大器的PWM调制方法是基于双边自然采样技术。PWM信号可以直接通过比较音频输入信号(audio input)和三角波信号(triangulaI waveform)得到，如图2所示，这个三角波的的频率称为载波频率，输入信号的幅度和载波信号的幅度之比称之为调制深度(modulation depth)，PWM频谱中并不直接的包含调制信号的谐波，也就是说从谐波失真的角度上考虑，它是非常理想的。





仅考虑音频范围(20Hz-20kHz)内的信号，PWM调制的增益是输出PWM信号幅度和输入三角波幅度之比：




上式中的Vp是PWM输出信号的幅度，VT是输入三角波信号的幅度。
一个音频通道的电路图如图3所示，这个音频功率放大器利用反馈环路来抑制电源电压波动、开关功率级的输出偏差以及谐波失真，这个音频功率放大器的闭环增益为：




电阻R1、R2、R3，Rfb必须具有良好的线性度和匹配，以获得良好的闭环性能。





系统开环时的情况如图4所示，整个开环环路的增益可由下式推出：




由式(3)、（4）可得出这个环路的单位增益频率为：









图5所示的为放大器内部环路信号，VE为积分器的输出波形，VT为振荡器的输出波形，这两个三角波互相穿通，输出改变方向。为了使这个音频功率放大器能够正常工作，这个振荡器三角波的幅度应该比积分器输出三角波的幅度大，更为准确性的说是振荡器三角波的斜率应该比误差三角波的斜率大，否则就会出现发散的现象：








由图4可知，输入积分器电容的电流为反馈电流Ifb和输入电流Iin之和。输入信号为零的情况，如图5(a)所示，反馈电流Ifb交替注入积分器电容里，积分器输出三角波的斜率为：




当有一个正输入信号电流注入这个环路时，积分器输出三角波的下降沿的斜率变的更大，上升沿的斜率变的更小，如图5(b)所示，输出信号的占空比开始发生变化。
当输入信号的电流Iin等于反馈信号的电流Ifb时，音频功率放大器的调制深度是100％，误差三角波VE的下降沿的斜率大约是没有输入信号时斜率的两倍，整个环路收敛和稳定性的标准是：







在这个环路系统中，仅存在一个极点。
系统环路中包含一个极点，环路的稳定性标准是在增益为0dB时，电路的相位裕度大于60°。也可以在这个环路系统中引入一个LPH零点来创建一个二阶环路，与一阶环路系统相比，二阶环路系统在音频带宽内具有更高的增益，因此将会在音频范围内具有更好的THD性能和PSRR性能。