D类音频功率放大器的设计方案

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 设备及汽车音响等多个领域。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。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，减小了系统的体积。

        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：



则式（3）变为：



闭坏系统的总谐波失真为：



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。

       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。

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m8 与m9 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。