基于NBDD的高效數字音頻功率放大器設計

摘要：數字音頻功率放大器具有體積小、重量輕、可靠性高的特點，但其并非工作在理想狀態下。為進一步提高數字功放的效率，通過將雙邊帶三電平自然采樣法(NBDD)脈寬調制技術引入數字功放的脈寬調制設計，并將Dead-Time技術引入開關放大器的設計中，提出了高效數字音頻功率放大器的優化設計方案，從而提高了整機的失真度指標，降低了低通濾波器設計階數、改善了信噪比。
關鍵詞：數字音頻功率放大器；NBDD；Dead-Time；開關放大器

0 引言
近年來，隨著數字化優勢的體現，很多尚未數字化的領域正在逐步加入到數字化的行列中來。數字化處理后的語音信號在到達模擬功率放大器之前，必須進行D／A轉換，以便被功率放大器放大，因此從完全數字化的進程看，功率放大器數字化模式勢在必行。
功率放大器通常根據其工作狀態分為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直接輸入，放大后將此信號用以推動揚聲器發聲。D類放大器比較特殊，它只有通和斷兩種狀態，因此它不能直接輸入模擬音頻信號，而是需要將信號進行某種變換后再放大。
數字音頻功率放大技術就是采用了全新的放大體制，功放管工作于D類開關狀態，與傳統模擬功放相比，具有體積小、功率大，與數字音源無縫結合、能有效降低信號間的傳遞干擾、實現高保真等優勢，具有廣闊的發展前景。
本文提出了高效數字功率放大器的優化設計方案，將雙邊帶三電平自然采樣法(NBDD)脈寬調制技術引入數字功放的脈寬調制設計中，降低了低通濾波器設計階數、改善了信噪比；通過將Dead-Time(死區時間)技術引入開關放大器的設計中，減小了開關放大器的串通損耗和漏源電容損耗。

1 優化方案實現原理
此方案采用的是兩個獨立的通道，可單獨、同時完成信號的數字處理和功率放大，并可橋接成一個通道進行信號的數字處理和功率放大。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。其實現原理如圖1所示。

輸入的模擬音頻信號首先經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制器，進行NBDD調制產生PWM信號。載波信號是由三角波發生器產生的高線性度的模擬三角波信號，頻率為230～280 kHz可調。PWM信號插入Dead-Time后送到浮動電源和自舉相結合的驅動器進行預放大，放大了的PWM信號驅動由場效應管組成的半橋開關放大器進行功率放大，輸出功率PWM信號。經開關放大器放大的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。