一种低成本无滤波器D类音频放大器的实现
2009-01-07
作者：郑 浩，刘 岩
摘 要： 介绍了一种低成本应用于音频D类放大器，无需外接滤波器，放大器采用全差分电路，利用脉宽调制方法去除了输出滤波器，电路可以工作在2.5V～5V电源电压下，电路采用6V CSMC 0.5μm DPTM工艺，利用MATLAB和Hspice工具仿真，放大器接8Ω的负载，电源电压为3.6V，在高保真音频范围内(20Hz～20kHz)，转换效率可以达到88％，连续平均功率0.1W时，其THD+N小于0.06%。
关键词： D类放大器；无滤波；THD；反馈环路
在音频功率放大电路的设计中，D类放大器因其转换效率较高越来越受到欢迎。线性放大器理论输出最大效率为78.5％，实际使用的效率则在30％，而D类放大器理论上的效率为100％，实际使用效率超过70％。特别是对于高功率放大器设计，效率越高，系统产生的热量也就越少，故可以简化系统的热设计。而对于小功率消费类电子，效率越高则意味着系统的使用寿命越长。
D类放大器为了能和线性放大器竞争，必须要求低的THD。一般来讲，在D类放大器中，影响THD值的主要原因为三角波的非线性以及开关器件引入的电源和地噪声。前一种采用中等频率的三角波(250kHz～300kHz)，因为高的采样频率虽然有利于信噪比（SNR），但也会降低三角波的线性度，同时对电路的要求也更高；另外，为了克服电源引入的噪声，可以使用负反馈环路来提高放大器的电源抑制比（PSRR），从而降低电源对信号的干扰。由于传统的D类放大器的输出级，为了降低采样信号对有用信号的干扰，使用LC滤波器滤掉采样信号，还原有用信号。为了使系统成本降低，以及减少外围元件的数量，本文设计出了无外接滤波器的D类放大器。
传统PWM调制型D类放大器需要外接滤波器来重建信号和减少系统的电磁干扰（EMI），在参考文献[1]中利用数字信号处理技术可以减轻对滤波器的需求。双边采样PWM调制器或者“三态”PWM调制器可以不用外接滤波器，这样既节省了系统成本，同时也减少了PCB面积，特别对便携式设备显得更加有优势。因此，本文采用简单的一阶闭环结构，且使用“三态”调制，消除了对外接滤波器的需要。
1 无滤波D类放大器工作原理
对D类放大器的设计，主要有两种方式[2]：开环和闭环。开环方式是直接把输入的音频信号送到比较器中与三角波进行比较，输出PWM波形，PWM波形驱动输出开关级，见图1。开环的方式能够提供比较合适的特性，但对电源和衬底的噪声抑制较差，结果会降低输出音频信号的质量。闭环结构利用负反馈来提高D类放大器的性能，反馈系统本身就能提高对电源和衬底噪声的抑制，抑制能力一般随环路滤波器的阶数增加。
美国德州仪器提出了一种无需外接滤波器的调制方法[3]，这就使得高效率D类放大器全部集成在芯片上成为可能。用这种方法必须要求放大器是全差分，同时输出结构必须是全桥输出结构，全桥电路可以使用“三态”调制以减少差分EMI。在传统的差分工作方式中，半桥A的输出极性必须与半桥B的输出极性相反。只存在两种差分工作状态：输出A高（1），输出B低（0）；输出A低（0），输出B高（1）。但是，还存在另外两个共模状态，即两个半桥输出的极性相同（都为高（1）或都为低(0))。这两个共模状态之一可与差分状态配合产生“三态”调制，LC滤波器的差分输入可以为（1，0，－1）。零状态可用于表示低功率水平，代替“两态”方案中在正状态和负状态之间的开关。在零状态期间，LC滤波器的差分动作非常小，虽然实际增加了共模EMI，但减少了差分EMI，差分优势只适用于低功率水平，因为正状态和负状态仍必须用于对扬声器提供大功率。
如果D类放大器采用全差分电路结构，输出端可以不接滤波器，或者说具有三个电平。这个三个电平是由两个二进制信号（0和1）之差决定的，其输出电平可能是（1，0，－1）。在“三态”调制中，信号中的无用能量减少，因此，重建信号所需要滤掉的总量将减少，而对于某些特定的负载（具有感性的扬声器），本身就可以作为一个滤波元件。对于“二态”调制器，在扬声器之前串联一个LC滤波器，由于采用“三态”调制，对外接滤波器的要求更低，以至可以不用外接LC滤波器，见图2，仅用具有感性的扬声器作为滤波元件就足够了。当然，全差分电路系统同样可以提高CMRR性能。
根据以上分析，设计出了图2所示的D类放大器结构。输入信号与输出端的反馈信号进行叠加，产生一误差信号，通过模拟积分器后与三角波进行比较得到PWM波形，PWM波通过控制功率开关管驱动负载。由于输出级是数字信号，因此反馈信号必须进行低通滤波后，与输入信号叠加。反馈回路使用了二阶低通滤波器。
2 电路实现
在研究系统的稳定性之前，对电路的实现进行一些讨论，这是因为系统的稳定性依赖一些寄生以及电路结构的选择。
图3描述了D类放大器的电路实现，反馈环路由二阶的低通滤波器组成。由于输出信号是一高频信号，二阶低通滤波器将滤掉输出端的载波信号，积分器由一阶低通滤波器组成，对输入信号与反馈信号求和后进行积分，积分器的输出加到比较器的同相端，比较器的反相端加三角波，比较器的输出控制功率开关管。
本电路中最重要的模块是全差分运算放大器，其电路如图4所示。其中偏置电路和共模反馈略去，由于输入信号电平比较低，采用PMOS晶体管做输入级，输出要求幅度比较大，故第二级采用共源级来提高输出端的幅度。PWM比较器采用Rail-to-Rail输入比较器，这样使输入信号的共模范围得到提高[2]。开关功率管的输出驱动采用死区控制时间，以避免开关功率管同时导通，产生大的尖峰电流，损坏开关功率晶体管，同时也影响功率放大器的效率。
3 稳定性分析
在比较器的输出，“两态”PWM信号的平均幅度可以表示成：
k表示比较器的有效增益[4-5]，Vin和Vout分别是PWM比较器的输入和输出。当输入信号的频率比三角波信号频率低得多时，这个表达式被用来验证这个线性系统的稳定性[6]。一般来讲，音频信号的频率范围在20Hz~20kHz，三角波的频率选择在250kHz～300kHz范围内。
对于图3所示的系统，可以得到其闭环传输函数为：
其中：
定义为比较器的有效增益。可以看出整个环路的增益
整个系统是个三阶系统，因此稳定性是至关重要的。为了使系统稳定，要求反馈回路的－3dB频率点近似为三角波的采样频率，设计成300kHz，而模拟积分器的－3dB频率小于采样频率的1/4[7]，设计成65kHz。
4 电路仿真与分析
本文所设计的D类放大器，闭环幅频响应如图5所示，利用0.5μm CSMC DPTM CMOS工艺模型进行仿真分析，对于4Ω的负载，电源电压3.6V最大输出功率为1.3W，THD为10％；输出功率为0.1W时，THD+N小于0.06％。如果电源电压为5V，负载为8Ω输入信号频率为10kHz，输出功率为1.3W，得到THD为0.13%，对输出波形进行FFT分析，结果如图6所示。
本文设计出了无外接滤波器的D类音频功率放大器，从而减小了系统设计成本和外接元件，放大器采用全差分电路结构，同时，为了能够抑制电源和衬底噪声，系统引入负反馈，通过HSPICE仿真，电源电压为3.6V时，放大器THD小于0.06％，PSRR大于60dB；输出最大功率为1.3W，效率高于88％，适用于使用电池供电的便携式设备产品。
参考文献
[1] NIELSEN K，.Areview and comparison of pulse width modulation(PWM) methods for analog and digital input switching power amplifiers，in Proc.102nd AES Convention，Mar.1997，pp.1-57.Preprint #4446(G4).
[2] BRETT F.A 700+-mW class d design with derect Battery hookup in a 90-nm process；IEEE J.of Solid-State Circuits，2005，(9).
[3] CHEN，Wayne T，R Clif Jones.Concepts and design of filterless Class-D audio amplifiers.Texas Instruments Technical Journal，2001，(4).
[4] MIDDLEBROOK R.D.Small-signal modeling of pulse-width modulated switched-mode power converters，Proc.IEEE，1988，(4)343-354.
[5] MIDDLEBROOK R.D，CUK S.A general unified approach to modeling switching converters power stages，in Proc.IEEE Power Electron.Spec.Conf.，1976：18-34.
[6] ADDUCI P，Edoardo Botti，Enrico Dallago，,etc.，PWM Power Audio Amplifier With Voltage/Current Mixed Feedback for High-Efficiency Spedkers，IEEE Transactions on industrial Electronics，2007，(4).
[7] MAESHALL W Leach，J.Introduction to Electro acoustics and Audio Amplifier Design，Second Edition，published by Kendall/Hunt，2001.
[8] MICHAEL S.Optimized Modulation Scheme Eliminates Output Filter.AES Preprint#5196，109th，Convention，2000，(9)：22-25.