基于NBDD脈寬調(diào)制的音頻功率放大器設(shè)計

數(shù)字音頻功率放大技術(shù)就是采用了全新的放大體制，功放管工作于D 類開關(guān)狀態(tài)，與傳統(tǒng)模擬功放相比，具有體積小、功率大，與數(shù)字音源無縫結(jié)合、能有效降低信號間的傳遞干擾、實現(xiàn)高保真等優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。

本文提出了高效數(shù)字功率放大器的優(yōu)化設(shè)計方案,將雙邊帶三電平自然采樣法( NBDD)脈寬調(diào)制技術(shù)引入數(shù)字功放的脈寬調(diào)制設(shè)計中，降低了低通濾波器設(shè)計階數(shù)、改善了信噪比; 通過將Dead Time( 死區(qū)時間)技術(shù)引入開關(guān)放大器的設(shè)計中，減小了開關(guān)放大器的串通損耗和漏源電容損耗。

1 優(yōu)化方案實現(xiàn)原理

此方案采用的是兩個獨立的通道，可單獨、同時完成信號的數(shù)字處理和功率放大，并可橋接成一個通道進行信號的數(shù)字處理和功率放大。每個通道工作在半橋工作模式下，又可橋接成全橋工作模式進行工作。其實現(xiàn)原理如圖1 所示。

圖1 高效數(shù)字功率放大器原理圖

輸入的模擬音頻信號首先經(jīng)隔離放大器進行放大,同時進行低通濾波。低通濾波器采用的是二階But terw orth 低通濾波器，截止頻率為37 kHz，3 dB 帶寬為22 kHz。濾波過后的信號與反饋回來的音頻信號一起送到誤差放大器進行誤差放大，輸出放大的誤差音頻信號。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調(diào)制器，進行NBDD 調(diào)制產(chǎn)生PWM 信號。載波信號是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線性度的模擬三角波信號，頻率為230~ 280 kHz 可調(diào)。PWM 信號插入Dead Time 后送到浮動電源和自舉相結(jié)合的驅(qū)動器進行預(yù)放大，放大了的PWM 信號驅(qū)動由場效應(yīng)管組成的半橋開關(guān)放大器進行功率放大，輸出功率PWM 信號。經(jīng)開關(guān)放大器放大的PWM 信號被采樣作為反饋信號送到誤差放大器。

功率PWM 信號送到低通濾波器還原出模擬音頻信號。

當(dāng)需要橋接單通道輸出時，只需在兩半橋輸入端送入等幅反相的音頻信號，并將負載接于兩半橋輸出端即可。

為了增加模塊的可靠性，設(shè)計時同時考慮了各種誤操作對模塊造成的損壞，并提供了故障指示功能，幫助整機及時準確查找問題，便于模塊進行維修。

2 NBDD 調(diào)制技術(shù)的實現(xiàn)

NBDD 調(diào)制技術(shù)的具體實現(xiàn)如圖2 所示。

圖2 NBDD 調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)框圖

輸入的模擬音頻信號首先經(jīng)隔離放大器進行放大,再與反饋回來的音頻信號一起送到誤差放大器，輸出放大的誤差音頻信號。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調(diào)制器，進行NBDD 調(diào)制。載波信號是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線性度的模擬三角波信號，頻率為230~ 280 kHz。

此處的重點在于實現(xiàn)高線性度的三角波發(fā)生器和高速比較器。三角波的非線性會直接影響PWM 調(diào)制器的線性度，整機的失真度; 為了能良好的還原音頻,PWM 開關(guān)頻率不能低于200 kHz，因此需要采用高速比較器。調(diào)制方式不僅影響到音頻帶內(nèi)的性能指標，而且對放大器系統(tǒng)的高頻輻射性能( EMC) 有著決定性的影響。因此從音頻輸入至脈寬編碼完成鏈路上，所采用的音頻放大器、誤差放大器應(yīng)具備高的輸入阻抗、低的工作電流、寬的增益帶寬、快的上升速度、良好的共模抑制比、低的漂移電壓等技術(shù)指標; 比較器應(yīng)具備響應(yīng)速度快、功耗低、輸入偏移電壓小等特點。

3 引入Dead Time 的開關(guān)放大器優(yōu)化設(shè)計

開關(guān)放大器的主要特點就是高效，因此其優(yōu)化設(shè)計主要應(yīng)體現(xiàn)在進一步減小各類損耗，真正體現(xiàn)其高效率的特點。

通過串通損耗產(chǎn)生的原理，可以在柵極驅(qū)動電壓上想辦法，在上管完全截止后再讓下管開始導(dǎo)通，在下管完全截止后再讓上管開始導(dǎo)通，這樣就可以減小串通損耗，同時又可以減小結(jié)電容Cds 損耗。這種為了解決串通損耗而在兩驅(qū)動信號之間按 延遲導(dǎo)通，正常截止 的原則，加入的時間稱為Dead T ime( 死區(qū)時間) ，原理詳見圖3。圖中分析的是工作在一個開關(guān)臂上的兩個N 溝場效應(yīng)管。

圖3 引入Deed T ime 前后信號對比

4 各項指標測試

指標測試主要采用的是國際上通用的音頻專用測試儀Audio Precision System One。Audio Precisio nSystem One 是由全球最大的音頻測試儀器制造商美國Audio Precisio n 公司制造。

電源經(jīng)電流表送到被測樣機的電源插座上; 電源輸出的正、負端間并聯(lián)電壓表，電壓表和電流表分別用于測試電源輸出的電壓和電流，從而可以計算出電源輸出功率。被測樣機的音頻輸入端接音頻測試儀的音頻輸出端，功率音頻輸出端分別連接音頻測試儀和標準功率電阻，被測樣機輸出的功率信號送到標準負載上，同時送到音頻測試儀上進行分析測試。由計算機控制選擇音頻測試儀A udio Precision Sy stem One 的輸出信號頻率、幅度等特性，并選擇需要測試的指標，同時將測試結(jié)果顯示到計算機上。