數字多媒體中的D類音頻功率放大器分析

林正好

摘 要：功率放大器是收發信機中最重要的耗能元件。隨著人們對通信產業的需求越來越高，使得無線通信存在的耗能問題也廣泛受到人們的關注。在整個無線通信系統中的耗能占了很大比重，因此，如何提高功率放大器的功放效率是當下很多數字多媒體制造商追求的目標。本文主要分析了D類音頻功率放大器電路組成結構以及工作原理，并分析了功放抑制電路設計的關鍵性因素，希望能提高數字多媒體音頻功率效率。

關鍵詞：數字多媒體；D類音頻；功率放大器

中圖分類號： TN72 文獻標識碼：A

0.引言

最大效率分類：A 類放大器為 50%，B 類放大器為 79.5%，而C 類放大器高達 100%。當效率為100%時，就沒有輸出功率，由此可見，不能如此來設計功率放大器。由負載線理論可知，負載阻抗決定晶體管的最大輸出功率，影響其最大效率。應用在電視機中影響到電視機播出音效效果。D類音頻所采用的功率放大器的原理是建立在PWM工作模式的基礎上，通過對比與分析采樣頻率與音頻信號，來得到脈沖寬度和音頻信號幅度比例變化的PWM波，經過驅動電路和功率MOS柵極，實現功率放大，將放大后的PWM信號輸送到濾波器，低濾波器將大功率的PWM波形聲音信息還原。如果處于開關狀態，其運行效率可達到80%以上，而不會造成非線性失真，從而提高輸出聲音的質量。

一、電路設計

（一）電路系統框圖與原理

在D類音頻功率放大器的設計中，其組成部分包括前置放大模塊、功率輸出模塊、PWM調制模塊以及反饋環路。其中反饋環路1是將前置放大器轉變成積分器，以此來提高供電系統的穩定性與安全性。而反饋環路2的組成部分即為兩個可調節電阻。D類音頻功率放大器的工作原理是：首先輸入Vin+和Vin-的音頻信號，并接收到兩個由前置放大器發出的相反相位的音頻信號，然后組裝固定PWM電路，其組成部分為載波三角波與比較器。信號的幅度可以導通一個功率，而截止另一個功率，并講濾波器方波變為音頻信號，以此來促使揚聲器發出信號。放大器所具備的濾波特性是需要用全橋的D類放大器進行改善的，這樣可以防止其干擾音頻信號，達到輸出平衡的效果。

（二） PWM調制模塊

PWM調制模塊包括PWM比較器和振蕩器，PWM比較器用三角波進行調制。PWM載波信號使用三角波，A/D為轉換調制級，對輸入模擬音頻信號進行采樣工作。

將音頻信號源接入PWM比較器同向輸入端口，三角波信號則接入反向端口。如果三角波信號比音頻輸入端信號電平要低，則表示PWM比較器比電平HV的輸出要高，如果三角波信號比音頻輸入端信號電平要高，則表示PWM比較器比電平HV的輸出要低，這個時候系統會將輸入的正弦波信號轉換為PWM波，這是D類音頻功率放大器的核心構件，所以對構件的要求比較高，三角波信號好、振蕩頻率比較穩定、精度高、運行效率快。PWM與三角波調制信號相比，調制信息比較豐富是單邊三角波調制的2倍。其次信號諧波的幅值衰減地比較快，從而有效地避免了諧波失真現象，能提高音頻質量。

（三） 全橋輸出級

D類音頻功率輸出級是開關級反大氣，輸出擺幅為VCC。MOSFET是比較理想的開關，關掉MPSFET開關以后，系統導通電流為0，這個時候不產生功率損耗；開啟MPSFET開關以后，整個導通兩端電壓幾乎為0，在工作周期內，MOSFET沒有無功損耗，所以理論上D類功率的轉換效率接近100%。在設計的時候，還要考慮到兩種功耗類型，一種是MOSFET傳導損耗，一種是輔助電路功耗，導致整個電路功耗能夠高達90%。但D類音頻功率放大器具有高轉換率，以此可以降低芯片消耗的熱量，溫度升高地比較慢，在設計的時候可以不考慮散熱片的散熱性能，因此D類音頻功率放大器的節能效果比較顯著。

（四） 負反饋

LPF電路是一種負反饋，它將需要檢測的輸出音頻反饋到了輸入信號與電路的輸入級中，并做出了相應的補償、去噪音以及校正處理，放線性度得到了改善，避免諧波干擾電源電壓。LPE電路的負反饋功能可以減小輸出級、通帶內因脈沖寬度調制以及電源電壓所制造的噪音，以此來促使輸入信號與輸入的低頻測成分保持一致，獲得更好的音頻功效，豐富THD效果。

二、D類功放抑制電路設計要點

（一）死區校正

全橋MOSFET管輪流成對導通信號的幅度可以導通一個功率，而截止另一個功率，但是在實際應用中，由于功率導管開啟和關掉需要一個過程，在開關或者開啟的時候，有一瞬間是沒有徹底關閉或者開啟的情況：當還沒有完全關閉IN1/IN3開關時，就已經導通IN2/IN4。而MOSFET全部都在電源兩段跨接著，因此縮短了極端事件發生時間，可能產生很大的電壓電流在4個MOSFET上，進一步增加功率損耗，導致整個D類音頻功率放大器工作效率降低，各個元件溫度升高比較快，破壞MOSFET比較器。所以在設計的時候，為了避免兩對導通同步處于導通狀態，降低電路短路故障，在一對MOSFET截止和導通器件有一個很短暫的停止死區時間，從而確保關掉一組MOSFET后，應立即開啟另外一組MOSFET，減少對MOSFET的損耗。

（二） 音嗓比

音頻信號在輸出過程中，會受到電流、周圍環境的影響，信號中會產生嘶嘶聲，從而影響到播出音質的效果。所以將D類音頻功率放大器應用在便攜式數字媒體結構中，snr通道分貝須低于90db，大功率與中等功率下snr通道分貝須低于100db。這樣可以確保各類放大器能夠滿足音頻播放要求，在設計的時候，要根據運行的環境分析噪音源，從而確保放大器功率設計能夠滿足總體snr。

（三） 電源抑制

在數字多媒體的音頻電路中，直接耦合電源噪音，將其輸出到揚聲器，所以電源抑制效果比較弱，造成這種現象的主要原因是低電阻將電源通過輸出級晶體管連接到濾波器，但是低通濾波器對高頻噪音主要起到抑制作用，而對電頻噪音的抑制作用比較有限。因此，必須解決音頻信號失真和電源噪音問題，否則很難達到設計要求。Ic濾波器非線性通過反饋環路能夠提高psr，揚聲器會逐漸衰減，閉環D類音頻功率放大器分貝psr>60db，thd<0.01%的高音質效果，符合設計要求。

三、EMI處理

D類音頻放大器自問世以來，由于自身的軌對軌供電開關性引起的輻射EMI成為音頻功率放大器的發展制約因素。D類調制器中，將高頻固定頻率信號與音頻信號進行對比，發現數字音頻信號轉化為WM信號，這些信號為可變脈寬的固定載波頻率，通過高壓功率MOSFET將這些PWM信號放大，然后再通過低頻濾波通道去除載頻，恢復原始的基礎音頻信號。擴展頻譜調制技術在不改變傳統調制器的音頻內容基礎上，擴展開關PWM信號的頻譜能力，極大地改進了傳統調制器高輻射EMI的問題，對促進D類音頻功率放大器的發展具有重要意義。通過對TPA3101D2進行測試，發現通過優化器件布局，也能夠降低EMI，從而使得整個電路布局更加簡單。

結語

通過對音頻功率放大器的電路設計、EMI處理等進行分析，具有高效率、低能耗的特點，因此應用在音頻設備中，能極大地提高音頻信號輸出質量，具有經濟效益。

參考文獻

[1]周頎，鮑雪晶.數字多媒體中的D類音頻功率放大器[J].中國科技財富，2009（17）：107-109.endprint