基于NBDD的高效數(shù)字音頻功率放大器設(shè)計(jì)

摘要：數(shù)字音頻功率放大器具有體積小、重量輕、可靠性高的特點(diǎn)，但其并非工作在理想狀態(tài)下。為進(jìn)一步提高數(shù)字功放的效率，通過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(jì)，并將Dead-Time技術(shù)引入開關(guān)放大器的設(shè)計(jì)中，提出了高效數(shù)字音頻功率放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而提高了整機(jī)的失真度指標(biāo)，降低了低通濾波器設(shè)計(jì)階數(shù)、改善了信噪比。
關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻功率放大器；NBDD；Dead-Time；開關(guān)放大器

0 引言
近年來，隨著數(shù)字化優(yōu)勢的體現(xiàn)，很多尚未數(shù)字化的領(lǐng)域正在逐步加入到數(shù)字化的行列中來。數(shù)字化處理后的語音信號(hào)在到達(dá)模擬功率放大器之前，必須進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，以便被功率放大器放大，因此從完全數(shù)字化的進(jìn)程看，功率放大器數(shù)字化模式勢在必行。
功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為5類：即A類、AB類、B類、C類和D類。其中，前4類均可直接采用模擬音頻信號(hào)直接輸入，放大后將此信號(hào)用以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。D類放大器比較特殊，它只有通和斷兩種狀態(tài)，因此它不能直接輸入模擬音頻信號(hào)，而是需要將信號(hào)進(jìn)行某種變換后再放大。
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(hào)間的傳遞干擾、實(shí)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(jì)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(jì)中，降低了低通濾波器設(shè)計(jì)階數(shù)、改善了信噪比；通過將Dead-Time(死區(qū)時(shí)間)技術(shù)引入開關(guān)放大器的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)原理
此方案采用的是兩個(gè)獨(dú)立的通道，可單獨(dú)、同時(shí)完成信號(hào)的數(shù)字處理和功率放大，并可橋接成一個(gè)通道進(jìn)行信號(hào)的數(shù)字處理和功率放大。每個(gè)通道工作在半橋工作模式下，又可橋接成全橋工作模式進(jìn)行工作。其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

輸入的模擬音頻信號(hào)首先經(jīng)隔離放大器進(jìn)行放大，同時(shí)進(jìn)行低通濾波。低通濾波器采用的是二階Butterworth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(hào)與反饋回來的音頻信號(hào)一起送到誤差放大器進(jìn)行誤差放大，輸出放大的誤差音頻信號(hào)。將放大的誤差信號(hào)和載波信號(hào)送到脈寬調(diào)制器，進(jìn)行NBDD調(diào)制產(chǎn)生PWM信號(hào)。載波信號(hào)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(hào)，頻率為230～280 kHz可調(diào)。PWM信號(hào)插入Dead-Time后送到浮動(dòng)電源和自舉相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行預(yù)放大，放大了的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)由場效應(yīng)管組成的半橋開關(guān)放大器進(jìn)行功率放大，輸出功率PWM信號(hào)。經(jīng)開關(guān)放大器放大的PWM信號(hào)被采樣作為反饋信號(hào)送到誤差放大器。功率PWM信號(hào)送到低通濾波器還原出模擬音頻信號(hào)。當(dāng)需要橋接單通道輸出時(shí)，只需在兩半橋輸入端送入等幅反相的音頻信號(hào)，并將負(fù)載接于兩半橋輸出端即可。為了增加模塊的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮了各種誤操作對(duì)模塊造成的損壞，并提供了故障指示功能，幫助整機(jī)及時(shí)準(zhǔn)確查找問題，便于模塊進(jìn)行維修。