D類音頻功率放大器的研究與實(shí)現(xiàn)

為適應(yīng)CD光碟等數(shù)字聲源直接輸出的脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)字信號(hào)輸入，數(shù)字功放內(nèi)設(shè)有一個(gè)PCM轉(zhuǎn)換為PWM的調(diào)制轉(zhuǎn)換裝置。D類數(shù)字功放的電源利用率可達(dá)80％以上，他的延時(shí)(相移)約為模擬功放的1／6，但是解調(diào)出來(lái)的音頻信號(hào)交越失真較大。

4 D類放大器的電路設(shè)計(jì)

4.1 D類放大器的組成

D類放大器的架構(gòu)有對(duì)稱與非對(duì)稱兩大類，在此討論的D類功放針對(duì)的是對(duì)功率、體積都非常敏感的便攜式應(yīng)用，因此采用全電橋的對(duì)稱型放大器，以充分利用其單一電源、系統(tǒng)小型化的特點(diǎn)。D類放大器一般由積分器、PWM電路、開關(guān)功放電路及輸出濾波器組成，原理框圖如圖3所示。

他采用了由比較器和三角波發(fā)生器組成的固定頻率的PWM電路，用輸入的音頻信號(hào)幅度對(duì)三角波進(jìn)行調(diào)制，得到占空比隨音頻輸入信號(hào)幅度變化的方波，并以相反的相位驅(qū)動(dòng)上下橋臂的功率管，使功率管一個(gè)導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)截止，再經(jīng)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號(hào)，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。采用全橋的D類放大器可以實(shí)現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并可減少干擾。全橋電路負(fù)載上的電壓峰峰值接近電源電壓的2倍，可采用單電源供電。實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采取2路輸出脈沖相位相反的方法。其輸出電壓是疊加變大的，經(jīng)過(guò)低通濾波器后，仍存在較大的負(fù)載電流，特別當(dāng)濾波器設(shè)計(jì)不好時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流就會(huì)更大，從而導(dǎo)致負(fù)載損耗大，降低放大器效率。

4.2 改進(jìn)型D類功率放大器電路設(shè)計(jì)

4.2.1 脈寬調(diào)制電路(PWM)設(shè)計(jì)

H全橋電路如圖4所示。

采取改進(jìn)的PWM調(diào)制方案：零信號(hào)輸入時(shí)2路輸出的PWM同相，負(fù)載上的電壓為0，當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，第一路輸出脈沖的占空比大于50％，另一路輸出脈沖的占空比小于50％，當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，第一路輸出脈沖的占空比小于50％，另一路輸出脈沖的占空比大于50％。

當(dāng)一路信號(hào)確定時(shí)，改進(jìn)PWM方案的第二路輸出與傳統(tǒng)PWM方案的第二路輸出相差了半個(gè)周期。采用這種PWM方法能夠抑制零信號(hào)輸入時(shí)的靜態(tài)損耗，從而有利于放大器效率的提高。

4.2.2 改進(jìn)全橋PWM方案的模擬實(shí)現(xiàn)方法

采用改進(jìn)PWM方案的全橋D類功率放大器結(jié)構(gòu)中，PWM控制器是以音頻信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)高頻(300 kHz)的三角波進(jìn)行調(diào)制，得到脈沖寬度隨音頻幅度變化的脈沖信號(hào)。比較器可采用高速比較器實(shí)現(xiàn)，其反相輸入端接高頻三角波，同相輸入端則分別接輸入電壓放大器輸出的相位相反的音頻信號(hào)。當(dāng)輸入音頻信號(hào)電壓為0時(shí)，輸出兩路占空比為50％的脈沖波；輸入信號(hào)電壓為正時(shí)，一路輸出為占空比大于50％的脈沖波，另一路輸出為占空比小于50％的脈沖波；輸入信號(hào)電壓為負(fù)時(shí)，情況則相反。該方案在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽高效率音頻功率放大器的設(shè)計(jì)中得到了很好的應(yīng)用。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)性能優(yōu)良，并降低了對(duì)濾波器性能的要求。

4.2.3 改進(jìn)全橋PWM方案的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法

采用基于CPLD的數(shù)字方法來(lái)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的全橋PWM方案，其PWM變換器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

當(dāng)輸入不同的脈寬數(shù)據(jù)D8～D0時(shí)，變換器輸出不同脈寬的PWM1和PWM2信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)512進(jìn)制計(jì)數(shù)器得到進(jìn)位脈沖C0和Cy2(延時(shí)C0半個(gè)周期)，用以決定PWM信號(hào)的頻率，其上升沿將D觸發(fā)器Q端置1；512進(jìn)制計(jì)數(shù)器的數(shù)值從0開始不斷遞加，當(dāng)計(jì)數(shù)值與輸入脈寬寄數(shù)值相等時(shí)，比較器輸出一個(gè)負(fù)脈沖，將觸發(fā)器C清0。這樣實(shí)現(xiàn)了與輸入脈寬數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)的輸出。在電路的實(shí)現(xiàn)中，可利用2路PWM輸出存在的規(guī)律性，以減少所需的電路資源。將9 b數(shù)值比較器拆分成8 b比較器和1 b比較器，這樣2路PWM輸出可共用8 b比較器，只是高位比較器的比較量不同，因?yàn)镻WM2的清0時(shí)刻比PWM1的清0滯后了半個(gè)周期。

5 結(jié) 語(yǔ)

D類放大器是目前音頻播放器的非常有前途的發(fā)展方向，他更好地適應(yīng)了便攜式電子音頻設(shè)備對(duì)功率放大器的高效率，低失真的的發(fā)展要求。

本設(shè)計(jì)采用全橋改進(jìn)PWM方案實(shí)現(xiàn)的D類放大器具有效率高、降低濾波器要求等特點(diǎn)。采用CPLD實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的全橋PWM方案，并結(jié)合DSP實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換、數(shù)字插值和噪聲整形等處理，可實(shí)現(xiàn)高保真的音頻放大器，設(shè)計(jì)的數(shù)字功率放大器可對(duì)數(shù)字音源輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行直接放大，為數(shù)字音源和功率放大的整合提供了完整的解決方案。