一种改进型免滤波D类音频放大器的设计 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

一种改进蟹兔滤波 D 类音频放大器的设计 欧宇，戴庆元，刘冲 ( 上海交通大学微纳科学技术研究院，上海，2 0 0 2 4 0 ) 摘要：本文描述了一种基于华虹N E cO 3 5 “m B c D 工艺的改进型免滤波D 类音频放大器。这种创新的结构 基于归一化脉冲宽度调制技术，通过对回路滤波的输出信号进行合理的采样与保持，同时采用迟滞比较 和反馈回路控制技术，很好地解决了传统脉宽调制方法中对于互调失真抑制能力较差的问题。 关键词：免滤波；归一化脉宽调制；迟滞比较；反馈控制；互调失真；D 类音频放大器 D e s i g no fa ni m p r o V e df i l t e r l e s sc l a s sD a u d i oa m p l i f i e r 0 UY u ，D A IQ i n g y u a n ，L I UC h o n g ( R e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i c r 0 N a n oS c i e n c ea n dT e c h n 0 1 0 9 y ，S h a n g h a iJ i a o t o n gu n i v e r s j t y ，S h a n g h a i2 0 0 2 4 0 ) A b s t r a c t ：A ni m p r o V e df i l t e r l e s sc l a s sDa u d i 0a m p l m e ri n0 - 3 5 肛m B C Dt e c h n o l o g yi si n t m d u c e di nt h i sp 印e r T h i s n e wa r c h i t e t u r eb a s eo nu n i f 0 唧p u l s e w i d t hm o d u I a t i o nt h e n o l o g y I ta t t e n u a t e sm o s to ft h ei n t e r m o d u l a t i o nd i s t o n i o n b ys a m p l i n ga n dh o l d i n gt h eo u t p u to fl o 叩f i l t e ra t ap r o p e rf r e q u e n c yc o m b i n e dw i t hh y s t e r e s i sc o m p a r a t o ra n d f e e d b a c kc o n t r o lt e c h n o l o g y K e y w o r d s ：f i l t e r l e s s ；u n i f 0 珊p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( U P W M ) ；h y s t e r e s i sc o m p a r a t o r ；f e e d b a c kc o n t m l ； i n t e n n o d u l a t i o nd i s t o t i o n ( I M D ) ；c l a s sDa u d i o 锄p l i f i e r 1 概述 随着半导体技术的不断进步，各种便携式应用 已俨然成为了电子设备的一种发展趋势。集低功耗、 高效率、小尺寸于一身的D 类音频放大器非常符合 未来潮流的发展。由于D 类音频放大器本身是开关 输出，存在着不可避免的高频分量和辐射，传统基于 脉宽调制( P w M ) 的方法中，载波信号的谐波分量 以及载波信号与音频信号问的互调失真都严重地影 响了信号的保真度。一般情况下需要考虑外加滤波 器，但是外加的L c 滤波器，一方面占用芯片面积， 另一方面滤波元件的非线性还会引人额外的失真。 因此免滤波的D 类音频放大器的研究成为相关领 域的一个热点。 k “一，- - - ： 万方数据 巾国集成电路 C h i n aI n t e g r a t e dC i r c u I t 2 免滤波结构 免滤波的D 类音频放大器是指让放大器的输 出直接驱动负载，原始音频信号的恢复并不依靠外 加的L c 滤波器，而是通过扬声器负载固有的电感 以及人耳听觉特性来实现复原。扬声器电阻和电感 形成了一个一阶的低通滤波器，对于大多数扬声器 而言，这个一阶的滚降足以恢复原始的音频信号，但 是其对于高频噪声的抑制能力却并不理想。引入差 分结构以及回路滤波电路的反馈控制技术是目前比 较流行的解决办法。除此之外，我们还可以进一步 改进调制器的结构来实现滤波的目的。 免滤波D 类音频放大器的调制结构主要有三 种研究思路：各种改进型P w M 调制技术、一调 制技术、B a n g B a n g 调制技术。其中一调制技术 的电路具有最高的电路复杂度，但其总谐波失真甚 至可以达到0 0 0 0 6 ( 1 0 0 H z ) 。相比之下，P W M 调 制的性能就要逊色很多，P w M 调制技术的最大问题 是其对于互调失真的抑制能力比较差删，这使得滤 波效果不佳，载波信号与音频信号间的互调失真也 已成为了该种电路结构的最主要的失真来源。针对 这个问题，本文将研究与设计一款基于归一化脉宽 调制( u P W M ) 技术的改进型免滤波D 类音频放大 器结构。 3 脉宽调制的研究 对于脉宽调制技术，各个类别主要从三个角度 进行区分：采样方法、转换方法和调制的比较沿( 单 边还是双边) 阳。转换方法主要用来描述输入的 P w M 信号如何驱动负载。一般来说，信号在1 和一l 之间进行切换，这种两级的P w M 结构被称为 c l a s s A D 。三级的P w M 结构，可以通过减少信号摆幅 来降低开关频率，我们称之为c l a s s B D 。比较沿的主 要区别在于使用的是单边还是双边的三角载波。双 边的调制信号在采样周期内会对信号进行两次采 - ，+ ， ；一 设计J 样，调制效果优于单边的调制信号。最后，脉宽调制 的采样方法主要分为自然采样( N P w M ) 和归一化 采样( u P w M ) ，自然采样是指对模拟信号直接进行 调制，归一化采样是对模拟信号采样后的数字信号 进行调制，基本的采样原理如图1 所示。 归一化采样JU U 自然采样厂 厂 厂 图1 采样原理对比图 这里给出了单边调制的自然采样脉宽调制和归 一化脉宽调制的傅里叶分析的结果 1 5 J ，( 设载波角频 率为，输入信号为，为三角波的幅值，为第一类贝塞 尔函数) 。其中式( 1 ) 为N P w M 傅里叶分析结果， 式( 2 ) 为U P w M 傅里叶分析结果。 m m + 争，+ 荟等 一主地! 竺! 。i n ( ，f _ 2 埘仃k ) 一么一一苎儿I f 儿Wr l 一二朋玎K ， 一妻芝墨! 竺! 丝 s i n ( m ( c ，c f + n 。卜一2 脚7 k 羔 ) ( 1 ) F ( f ) ：k 一塑! 丝竺竺! 。：。，f 2 J 17 r 厶，n ，丌、 s l n I 脚( c J f 一三一二 一J + 主旦黑型。i n 埘叫 m ：l m 仃 。 一薹薹笔等等 m ：ln ：1 m P 十n ( 丘) 1 ，J 订7 ( E ) 一 励渤 万方数据 L 一设计 s i n ( 脚( ) P + j 1 ( 【) P ) ( 卜兰堕) 一里要 ( 2 ) P Z 从上面的表达式我们不难看出，对于自然采样 脉宽调制输入信号与载波信号之间的互调失真非常 严重，而对于归一化脉宽调制，因为采样引起的输入 信号谐波失真是最主要的失真来源。针对两种采样 方法的不同特点，现在已经有了很多优化方法。其 中反馈控制、动态控制补偿、单周控制技术主要用于 自然采样脉宽调制；噪声整形技术、增强采样控制技 术、补偿采样控制技术主要用于归一化采样脉宽调 制【7 。1 2 1 。 在基于自然采样脉宽调制的D 类音频放大器 中加入回路滤波电路的反馈控制技术是目前主流的 一种解决办法。但是前面的分析已经指出，自然采 样脉宽调制输入信号与载波信号之间存在严重的互 调失真。就闭环系统的特点来看，互调失真的一个 重要来源就是回路滤波器本身。传统脉宽调制方法 的闭环D 类音频放大器，带内增益的提高会导致带 阻衰减能力的降低，这里需要我们去做一个折中的 处理，因为我们既希望高的带内增益去保证高的电 源电压抑制比和低的总谐波失真，同时又希望高的 带阻衰减去抑制高频的反馈信号。在实际的电路情 况中还会有一些残余的高频信号在回路滤波器的输 出中，对于一个全差分的回路滤波电路而言，每一个 差分输出都是单独进行脉宽调制，因此，每一个周期 内会有两个跳变沿，这使得残余的高频信号就发生 在两倍于载波频率处。 4电路设计 基于归一化脉宽调制的D 类音频放大器包含 以下几个部分：回路滤波器，归一化脉宽调制器，输 出功率级，振荡器，带隙基准源，过温过压保护模块， 短路保护模块。电路的总体结构框图如图2 所示。 后面的讨论仅给出反馈控制回路、归一化脉宽调制 器、迟滞比较器三个关键模块的简要分析。 巾国集成电路 C h i n aI n t e g r a t e dC i r c u l t d 回路滤波 H 采样保r - “电路 ， H 持电路 迟滞比r 较电路 振 ! 荡 i 器 l 输 【出 叫级 图2D 类放大器系统框图 4 1 反馈控制回路的设计 D 类音频放大器通过采用噪声整形功能的反馈 环路可以极大地降低由电源电压、脉宽调制器、输出 级所引起的噪声。这种拓扑结构与一调制器中 的噪声整形类似。为了阐明噪声整形功能，图3 给出 了1 阶噪声整形器的简化框图。 图3 一阶噪声整形器 反馈网络主要包括一个电阻分压网络，这里我 们假设反馈比例为l ，积分器的传递函数简化为 1 s ，同时假定脉宽调制模块具有单位增益，并且在 控制环路中具有零相位偏移。使用控制理论的分析 方法，很容易得到以下输出表达式： ( s ) 2 亡( s ) + 音E ( s ) ( 3 ) 输出的表达式中，噪声项E 。( s ) 相当于经过一 个高通滤波，正是通过这个高通滤波器对D 类音频 放大器的噪声进行整形，而输人项V 。( s ) 则经过一 个低通滤波器。只要输出滤波器的截止频率选取得 当，大部分的噪声将会被推至带外 1 3 】。我们在实际的 电路中采用二阶回路滤波器用以提供低噪声、高增 益。如图4 所示，两个全差分放大器均采用了米勒补 偿和共模反馈。电路的闭环传输函数为： 万方数据 图4 回路滤波电路 H ( s ) = 生兰些兰! ! 些兰鱼兰! ! =( 4 ) R l ( G P + c P R 4 G s + R G R c j f ) 在我们的设计中，回路滤波器的两个极点是由 有源R C 积分器提供。单位增益的频率为 2 瓦丽告瓦2 1 2 5 丘H z ( 5 ) f = ：。= 2 6 6 厶H z( 6 ) 竹z 一乏r 聂；_ 聂_ 瓦_ 聂石一”“1 1 。 、”7 而回路滤波器的零点落在： o 瓦i 赢2 1 9 8 k H z ( 7 ) 仿真结果显示，回路滤波器的增益可以达到 11 5 d B ( 1 0 0 H z ) ，1 0 3 d B ( 2 0 0 H z ) ，7 7 d B ( 1 k H z ) ，衰 减是1 5 d B ( 1 M H z ，载波频率) ，2 3 d B ( 2 M H z ，两倍载 波频率) 。 4 2 归一化脉宽调制器 通过频域分析我们很容易得到两倍于载波频率 信号的采样保持会在两倍载波频率以及其谐波频率 处产生极大的衰减。式( 8 ) 为两倍于载波频率采样 的U P w M 傅里叶分析结果。 m 皿+ ；等等警 s i n 等c o s ( 、卜等) + 茎茎等等筹掣 m ：ln ：l L 埘，+