| 标题 | 数字多媒体中的D类音频功率放大器分析 |
| 范文 | 林正好 摘 要：功率放大器是收发信机中最重要的耗能元件。随着人们对通信产业的需求越来越高，使得无线通信存在的耗能问题也广泛受到人们的关注。在整个无线通信系统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当下很多数字多媒体制造商追求的目标。本文主要分析了D类音频功率放大器电路组成结构以及工作原理，并分析了功放抑制电路设计的关键性因素，希望能提高数字多媒体音频功率效率。 关键词：数字多媒体；D类音频；功率放大器 中图分类号： TN72 文献标识码：A 0.引言 最大效率分类：A 类放大器为 50%，B 类放大器为 79.5%，而C 类放大器高达 100%。当效率为100%时，就没有输出功率，由此可见，不能如此来设计功率放大器。由负载线理论可知，负载阻抗决定晶体管的最大输出功率，影响其最大效率。应用在电视机中影响到电视机播出音效效果。D类音频所采用的功率放大器的原理是建立在PWM工作模式的基础上，通过对比与分析采样频率与音频信号，来得到脉冲宽度和音频信号幅度比例变化的PWM波，经过驱动电路和功率MOS栅极，实现功率放大，将放大后的PWM信号输送到滤波器，低滤波器将大功率的PWM波形声音信息还原。如果处于开关状态，其运行效率可达到80%以上，而不会造成非线性失真，从而提高输出声音的质量。 一、电路设计 （一）电路系统框图与原理 在D类音频功率放大器的设计中，其组成部分包括前置放大模块、功率输出模块、PWM调制模块以及反馈环路。其中反馈环路1是将前置放大器转变成积分器，以此来提高供电系统的稳定性与安全性。而反馈环路2的组成部分即为两个可调节电阻。D类音频功率放大器的工作原理是：首先输入Vin+和Vin-的音频信号，并接收到两个由前置放大器发出的相反相位的音频信号，然后组装固定PWM电路，其组成部分为载波三角波与比较器。信号的幅度可以导通一个功率，而截止另一个功率，并讲滤波器方波变为音频信号，以此来促使扬声器发出信号。放大器所具备的滤波特性是需要用全桥的D类放大器进行改善的，这样可以防止其干扰音频信号，达到输出平衡的效果。 （二） PWM调制模块 PWM调制模块包括PWM比较器和振荡器，PWM比较器用三角波进行调制。PWM载波信号使用三角波，A/D为转换调制级，对输入模拟音频信号进行采样工作。 将音频信号源接入PWM比较器同向输入端口，三角波信号则接入反向端口。如果三角波信号比音频输入端信号电平要低，则表示PWM比较器比电平HV的输出要高，如果三角波信号比音频输入端信号电平要高，则表示PWM比较器比电平HV的输出要低，这个时候系统会将输入的正弦波信号转换为PWM波，这是D类音频功率放大器的核心构件，所以对构件的要求比较高，三角波信号好、振荡频率比较稳定、精度高、运行效率快。PWM与三角波调制信号相比，调制信息比较丰富是单边三角波调制的2倍。其次信号谐波的幅值衰减地比较快，从而有效地避免了谐波失真现象，能提高音频质量。 （三） 全桥输出级 D类音频功率输出级是开关级反大气，输出摆幅为VCC。MOSFET是比较理想的开关，关掉MPSFET开关以后，系统导通电流为0，这个时候不产生功率损耗；开启MPSFET开关以后，整个导通两端电压几乎为0，在工作周期内，MOSFET没有无功损耗，所以理论上D类功率的转换效率接近100%。在设计的时候，还要考虑到两种功耗类型，一种是MOSFET传导损耗，一种是辅助电路功耗，导致整个电路功耗能够高达90%。但D类音频功率放大器具有高转换率，以此可以降低芯片消耗的热量，温度升高地比较慢，在设计的时候可以不考虑散热片的散热性能，因此D类音频功率放大器的节能效果比较显著。 （四） 负反馈 LPF电路是一种负反馈，它将需要检测的输出音频反馈到了输入信号与电路的输入级中，并做出了相应的补偿、去噪音以及校正处理，放线性度得到了改善，避免谐波干扰电源电压。LPE电路的负反馈功能可以减小输出级、通带内因脉冲宽度调制以及电源电压所制造的噪音，以此来促使输入信号与输入的低频测成分保持一致，获得更好的音频功效，丰富THD效果。 二、D类功放抑制电路设计要点 （一）死区校正 全桥MOSFET管轮流成对导通信号的幅度可以导通一个功率，而截止另一个功率，但是在实际应用中，由于功率导管开启和关掉需要一个过程，在开关或者开启的时候，有一瞬间是没有彻底关闭或者开启的情况：当还没有完全关闭IN1/IN3开关时，就已经导通IN2/IN4。而MOSFET全部都在电源两段跨接着，因此缩短了极端事件发生时间，可能产生很大的电压电流在4个MOSFET上，进一步增加功率损耗，导致整个D类音频功率放大器工作效率降低，各个元件温度升高比较快，破坏MOSFET比较器。所以在设计的时候，为了避免两对导通同步处于导通状态，降低电路短路故障，在一对MOSFET截止和导通器件有一个很短暂的停止死区时间，从而确保关掉一组MOSFET后，应立即开启另外一组MOSFET，减少对MOSFET的损耗。 （二） 音嗓比 音频信号在输出过程中，会受到电流、周围环境的影响，信号中会产生嘶嘶声，从而影响到播出音质的效果。所以将D类音频功率放大器应用在便携式数字媒体结构中，snr通道分贝须低于90db，大功率与中等功率下snr通道分贝须低于100db。这样可以确保各类放大器能够满足音频播放要求，在设计的时候，要根据运行的环境分析噪音源，从而确保放大器功率设计能够满足总体snr。 （三） 电源抑制 在數字多媒体的音频电路中，直接耦合电源噪音，将其输出到扬声器，所以电源抑制效果比较弱，造成这种现象的主要原因是低电阻将电源通过输出级晶体管连接到滤波器，但是低通滤波器对高频噪音主要起到抑制作用，而对电频噪音的抑制作用比较有限。因此，必须解决音频信号失真和电源噪音问题，否则很难达到设计要求。Ic滤波器非线性通过反馈环路能够提高psr，扬声器会逐渐衰减，闭环D类音频功率放大器分贝psr>60db，thd<0.01%的高音质效果，符合设计要求。 三、EMI处理 D类音频放大器自问世以来，由于自身的轨对轨供电开关性引起的辐射EMI成为音频功率放大器的发展制约因素。D类调制器中，将高频固定频率信号与音频信号进行对比，发现数字音频信号转化为WM信号，这些信号为可变脉宽的固定载波频率，通过高压功率MOSFET将这些PWM信号放大，然后再通过低频滤波通道去除载频，恢复原始的基础音频信号。扩展频谱调制技术在不改变传统调制器的音频内容基础上，扩展开关PWM信号的频谱能力，极大地改进了传统调制器高辐射EMI的问题，对促进D类音频功率放大器的发展具有重要意义。通过对TPA3101D2进行测试，发现通过优化器件布局，也能够降低EMI，从而使得整个电路布局更加简单。 结语 通过对音频功率放大器的电路设计、EMI处理等进行分析，具有高效率、低能耗的特点，因此应用在音频设备中，能极大地提高音频信号输出质量，具有经济效益。 参考文献 [1]周颀，鲍雪晶.数字多媒体中的D类音频功率放大器[J].中国科技财富，2009（17）：107-109. |
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