D類(lèi)音頻功率放大器具有效率高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，采用D類(lèi)音頻功率放大器的設備能夠提高電池的壽命，它特別適合應用于無(wú)線(xiàn)和手持通信設備，主要應用在PDA、移動(dòng)電話(huà)和類(lèi)似的手持移動(dòng)通信工具的設計和產(chǎn)品中。而大功率輸出的音頻設備具有很大的功耗，所以在大功率輸出的音頻設備中采用低功耗的D類(lèi)音頻功率放大器也是十分必要的，特別在集成了高質(zhì)量音頻性能和擴展了混合能力的同時(shí)實(shí)現了低功耗。
本文將介紹D類(lèi)音頻功率放大器的環(huán)路設計，表明這個(gè)D類(lèi)音頻功率放大器具有效率高、功耗低、諧波失真低的特點(diǎn)。
如圖1所示，這個(gè)音頻功率放大器包含一個(gè)音頻通道，一個(gè)振蕩器、一個(gè)基準電壓電流源和一個(gè)過(guò)流保護電路。這個(gè)音頻通道包含有一個(gè)控制單元，控制單元把輸入音頻信號轉換為脈寬調制(PWM)信號，然后PWM信號驅動(dòng)這個(gè)音頻功率放大器的開(kāi)關(guān)功率級，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)功率級輸出的信號被重新反饋到積分器的輸入端，反饋環(huán)路用來(lái)改善音頻功率放大器的電源抑制比(PSRR)和總諧波失真(THD)。在輸出端使用一個(gè)低通的二階濾波器來(lái)解調出音頻信號和抑制高頻能量，在這個(gè)音頻功率放大器的設計中優(yōu)化了的系統設計取消了外接的低通輸出濾波器來(lái)降低系統應用成本。
保護模塊主要包括過(guò)流保護，使這個(gè)音頻功率放大器在誤操作和負載電阻被燒毀的情況下能夠保護音頻功率放大器不被燒毀。
在振蕩器的設計中，把電阻和電容全部集成到了音頻功率放大器的內部，應用時(shí)就可以使用最少的外接器件，節約了應用成本，但是這個(gè)振蕩器的振蕩頻率相對于外接電阻的振蕩器的振蕩頻率來(lái)講，其工藝偏差的影響會(huì )更大。
這個(gè)音頻功率放大器的PWM調制方法是基于雙邊自然采樣技術(shù)。PWM信號可以直接通過(guò)比較音頻輸入信號(audio input)和三角波信號(triangulaI waveform)得到，如圖2所示，這個(gè)三角波的的頻率稱(chēng)為載波頻率，輸入信號的幅度和載波信號的幅度之比稱(chēng)之為調制深度(modulation depth)，PWM頻譜中并不直接的包含調制信號的諧波，也就是說(shuō)從諧波失真的角度上考慮，它是非常理想的。
僅考慮音頻范圍(20Hz-20kHz)內的信號，PWM調制的增益是輸出PWM信號幅度和輸入三角波幅度之比：
上式中的Vp是PWM輸出信號的幅度，VT是輸入三角波信號的幅度。
一個(gè)音頻通道的電路圖如圖3所示，這個(gè)音頻功率放大器利用反饋環(huán)路來(lái)抑制電源電壓波動(dòng)、開(kāi)關(guān)功率級的輸出偏差以及諧波失真，這個(gè)音頻功率放大器的閉環(huán)增益為：
電阻R1、R2、R3，Rfb必須具有良好的線(xiàn)性度和匹配，以獲得良好的閉環(huán)性能。
系統開(kāi)環(huán)時(shí)的情況如圖4所示，整個(gè)開(kāi)環(huán)環(huán)路的增益可由下式推出：
由式(3)、（4）可得出這個(gè)環(huán)路的單位增益頻率為：
圖5所示的為放大器內部環(huán)路信號，VE為積分器的輸出波形，VT為振蕩器的輸出波形，這兩個(gè)三角波互相穿通，輸出改變方向。為了使這個(gè)音頻功率放大器能夠正常工作，這個(gè)振蕩器三角波的幅度應該比積分器輸出三角波的幅度大，更為準確性的說(shuō)是振蕩器三角波的斜率應該比誤差三角波的斜率大，否則就會(huì )出現發(fā)散的現象：
由圖4可知，輸入積分器電容的電流為反饋電流Ifb和輸入電流Iin之和。輸入信號為零的情況，如圖5(a)所示，反饋電流Ifb交替注入積分器電容里，積分器輸出三角波的斜率為：
當有一個(gè)正輸入信號電流注入這個(gè)環(huán)路時(shí)，積分器輸出三角波的下降沿的斜率變的更大，上升沿的斜率變的更小，如圖5(b)所示，輸出信號的占空比開(kāi)始發(fā)生變化。
當輸入信號的電流Iin等于反饋信號的電流Ifb時(shí)，音頻功率放大器的調制深度是100％，誤差三角波VE的下降沿的斜率大約是沒(méi)有輸入信號時(shí)斜率的兩倍，整個(gè)環(huán)路收斂和穩定性的標準是：
在這個(gè)環(huán)路系統中，僅存在一個(gè)極點(diǎn)。
系統環(huán)路中包含一個(gè)極點(diǎn)，環(huán)路的穩定性標準是在增益為0dB時(shí)，電路的相位裕度大于60°。也可以在這個(gè)環(huán)路系統中引入一個(gè)LPH零點(diǎn)來(lái)創(chuàng )建一個(gè)二階環(huán)路，與一階環(huán)路系統相比，二階環(huán)路系統在音頻帶寬內具有更高的增益，因此將會(huì )在音頻范圍內具有更好的THD性能和PSRR性能。
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