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PWM型D类音频功率放大器的设计

导读: 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。

  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。

  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1 D 类音频功率放大器结构

  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。

  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。

 

图2 开环D 类音频功率放大器模型

  此时系统输出为:

  

  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。

图3 闭环D 类音频功率放大器模型

  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:

  

 

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