D类音频功率放大器的设计方案

图5 比较器电路图

       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m5、m6 和m7、m8 构成了两组恒流源，m9~m13 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comp1 和comp2,与参考电平VREF1 和VREF2

图6 三角波产生电路

 
       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。

图7 全桥电路结构及负载电流示意图

       全桥开关电路工作在开关模式，随着输入信号的改变，m1~m4 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"shoot- 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"shoot- 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，可以根据需要通过控制延迟单元的控制位Tc 来调整死区时间的长短。为减小失真，必须减小死区时间，该驱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。

图8 驱动电路结构

图9 死区时间

       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。

       2.6 基准电路
       本文所设计的带隙电压基准源结构如图10 所示，主要由核心电路与启动电路两部分组成。

 

图10 基准电路

       核心电路中M1~M12 一起构成共源共栅电流镜来提供直流偏置，运放op1 采用两级共源共栅放大。另外，在图10 电路中引入了负反馈，保证了该偏置电路电流镜的准确性，同时与电源无关，具有很高的电源抑制比。

       电路上电时偏置电路可能会出现零电流的情况，需要启动电路保证电路能够正常工作。电路不工作时，EN、Vs1 为0,Vs2、Vs3 为1,M15、M17 不通，运放输出为高，M3~M6 也不通，整个电路不消耗电流。当EN 由0 变成1 时，由于C1 的作用，Vs1 保持为0,Vs2 为1,Vs3 变为0,此时M15、M17 导通，inp、inn 分别被拉到0、1,运放输出变为0,M3~M6 导通，M13、M14 支路开始有电流，并对C1 充电，直到Vs1 高过I2 阈值电压时，Vs2 变为0,Vs3 则变为1,M15、M17 关断。最终电路偏离零电流状态，开始正常工作，且Vs1 充至电源电压，整个启动电路不再消耗电流。

       3 结论

       本文研究了基于PWM 调制技术D 类音频功率放大器的工作原理，通过引入反馈技术减小了D 类音频功率放大器的THD;通过逐级增加驱动能力的方式减小了必要的死区时间，保证了更低的失真度；采用双路反宽调制方案，一方面抑制了系统的静态功耗，另一方面去除了输出级的LC低通滤波器，达到了减小系统成本和体积的目的。