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(diǎn)，但其并非工作在理想狀態(tài)下。為進(jìn)一步提高數字功放的效率，通過(guò)將雙邊帶三電平自然采樣法(NBDD)脈寬調制技術(shù)引入數字功放的脈寬調制設計，并將Dead-Time技術(shù)引入開(kāi)關(guān)放大器的設計中，提出了高效數字音頻功率放大器的優(yōu)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(guān)鍵詞：數字音頻功率放大器；NBDD；Dead-Time；開(kāi)關(guān)放大器

0 引言
近年來(lái)，隨著(zhù)數字化優(yōu)勢的體現，很多尚未數字化的領(lǐng)域正在逐步加入到數字化的行列中來(lái)。數字化處理后的語(yǔ)音信號在到達模擬功率放大器之前，必須進(jìn)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(jìn)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(tài)分為5類(lèi)：即A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)和D類(lèi)。其中，前4類(lèi)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(dòng)揚聲器發(fā)聲。D類(lèi)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，而是需要將信號進(jìn)行某種變換后再放大。
數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(lèi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，與傳統模擬功放相比，具有體積小、功率大，與數字音源無(wú)縫結合、能有效降低信號間的傳遞干擾、實(shí)現高保真等優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。
本文提出了高效數字功率放大器的優(yōu)化設計方案，將雙邊帶三電平自然采樣法(NBDD)脈寬調制技術(shù)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(guò)將Dead-Time(死區時(shí)間)技術(shù)引入開(kāi)關(guān)放大器的設計中，減小了開(kāi)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)現原理
此方案采用的是兩個(gè)獨立的通道，可單獨、同時(shí)完成信號的數字處理和功率放大，并可橋接成一個(gè)通道進(jìn)行信號的數字處理和功率放大。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)現原理如圖1所示。

輸入的模擬音頻信號首先經(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(guò)后的信號與反饋回來(lái)的音頻信號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。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調制器，進(jìn)行NBDD調制產(chǎn)生PWM信號。載波信號是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線(xiàn)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(dòng)電源和自舉相結合的驅動(dòng)器進(jìn)行預放大，放大了的PWM信號驅動(dòng)由場(chǎng)效應管組成的半橋開(kāi)關(guān)放大器進(jìn)行功率放大，輸出功率PWM信號。經(jīng)開(kāi)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，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(shí)同時(shí)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(shí)準確查找問(wèn)題，便于模塊進(jìn)行維修。