預補償方法以減少Class D功率放大器的爆裂噪聲

1  摘要

如今，Class D功率放大器在音頻系統中被廣泛使用。 然而，在放大器啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)，以及在靜音 / 取消靜音  切換期間，揚聲器中經(jīng)常會(huì )出現爆裂聲或點(diǎn)擊聲。這些  噪音可能會(huì )被聽(tīng)到，并使用戶(hù)感到不適。在音頻系統中   靜音功率放大器是避免在啟動(dòng)或關(guān)閉期間出現爆裂聲的  有效方法。此外，音頻系統有時(shí)播放音樂(lè )，有時(shí)停止播  放，這需要頻繁地靜音或取消靜音放大器。因此，爆裂  聲是頻繁靜音和取消靜音控制的關(guān)鍵問(wèn)題。本文討論了   靜音 / 取消靜音過(guò)渡期間爆裂聲的發(fā)生原因，并設計了   相應的方法來(lái)抑制這些噪音。

2  簡(jiǎn)介

高效率和小尺寸的特點(diǎn)使 Class D 功率放大器非常  適合用于高功率音頻系統。圖 1 是使用 Class D 功率放  大器的典型音頻系統。音頻處理器將音頻信號傳送到功   率放大器，同時(shí)它還可以控制功率放大器的啟動(dòng)和關(guān)閉。

圖1 Class D功率放大器系統

Class D 功率放大器輸出與輸入音頻信號相對應的 脈沖，A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的脈沖由半橋開(kāi)關(guān)產(chǎn)生。低通濾波器 由電感和電容組成，為從這些高頻脈沖中解調出的音頻 信號提供路徑，解調后的音頻信號通過(guò)揚聲器，將電能轉換為聲能，然后被人的耳朵聽(tīng)到。如果用戶(hù)在開(kāi)始播放音樂(lè )或計劃停止音樂(lè )時(shí)總是聽(tīng)到爆裂聲或點(diǎn)擊聲，這將是非常糟糕的體驗。

圖2 Class D功率放大器原理圖

圖 2 是典型的 Class D 功率放大器原理圖。OP1 、 CAMP1 、驅動(dòng)器和功率級 A 構成單端功率放大器 A ， 同樣， OP2 、CAMP2 、驅動(dòng)器和功率級 B 構成另一個(gè)  單端功率放大器 B ，揚聲器連接在功率放大器單端 A 和  單端 B 之間。OP1 和 OP2 根據輸入和反饋生成相應的  誤差信號，誤差信號與比較器中的鋸齒波進(jìn)行比較，并  觸發(fā)輸出響應寬度脈沖，鋸齒波以固定的載波頻率運  行，在每個(gè)載波周期內，脈沖的占空比與誤差信號的幅  度成正比，以上過(guò)程稱(chēng)為小信號調制。調制脈沖是進(jìn)入  驅動(dòng)器設備的源邏輯信號，驅動(dòng)器根據輸入邏輯脈沖打  開(kāi) / 關(guān)閉輸出功率級，以完成功率放大器的功率調制。  低通濾波器從功率脈沖中解調音頻信號，音頻信號施加  在 SPKP 和 SPKN 上。功率放大器可以通過(guò)靜音禁用調  制器和輸出開(kāi)關(guān)級，這意味著(zhù)在靜音階段不會(huì )有任何瞬  態(tài)階躍信號施加在揚聲器上，當然也不會(huì )有爆裂噪聲。  在音頻系統開(kāi)機或關(guān)機期間，所有電源軌都是不穩定的， 讓功率放大器在音頻系統開(kāi)機或關(guān)機前保持靜音是避免  更大爆裂噪聲的必要措施。在電源軌供電穩定后，音頻  系統將讓功率放大器從靜音變?yōu)槿∠o音并準備播放音樂(lè )，不幸的是，如果功率放大器沒(méi)有設計抑制方法，用 戶(hù)在那時(shí)仍會(huì )聽(tīng)到爆裂聲或點(diǎn)擊聲。

3 預補償方法

本章分析靜音爆裂噪聲的根本原因，然后演示如何 使用預補償方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

圖3 理想條件下波形圖

在音頻系統開(kāi)機并完成初始設置后，功率放大器的 調制器和功率級應啟用工作，我們稱(chēng)這個(gè)過(guò)程為取消靜 音。圖 3 是顯示取消靜音過(guò)程的波形圖，假設所有條件 都是理想的。根據波形圖，我們可以得出以下方程：

因此，揚聲器端子 SPKP 和 SPKN 之間的電壓水平 相同，沒(méi)有電壓偏差導致電流流入揚聲器的線(xiàn)圈，當然 也不會(huì )有點(diǎn)擊或爆裂噪聲?，F在我們來(lái)看實(shí)際的模擬電 路：元件的公差、參考點(diǎn)的位置不同、驅動(dòng)器的時(shí)間方 案差異、PCB 走線(xiàn)因素等。所有這些差異導致 A 點(diǎn)的 PWM 與 B 點(diǎn)的 PWM 不匹配，即使在相同的初始條件 下啟動(dòng)也是如此。圖 4 是功率放大器從靜音到取消靜音 時(shí)的實(shí)際波形。調制器開(kāi)始工作并將占空比從小調節到 50%，這是功率放大器在啟動(dòng)階段的循環(huán)階段，PWM 的目標是在功率放大器環(huán)路穩定后保持輸出平均水平等 于 1/2VCC。

圖4 實(shí)際波形

SPKP 和 SPKN 是低通濾波器后的電壓水平。由于  A 點(diǎn)的輸出脈沖與 B 點(diǎn)的輸出脈沖不匹配，SPKP 將不  等于 SPKN，這會(huì )在揚聲器端子之間產(chǎn)生容差電壓，并  驅動(dòng)電流流入線(xiàn)圈，從而產(chǎn)生點(diǎn)擊聲或爆裂聲。偏置電  壓幅度在環(huán)路穩定后將保持一定值，我們稱(chēng)這個(gè)偏移值  為功率放大器的直流偏置電壓，‘SPKN-SPKP’的波  形顯示了詳細結果。直流偏置電壓會(huì )在揚聲器上造成功  率損耗，當功率放大器靜音時(shí)也會(huì )產(chǎn)生點(diǎn)擊聲或爆裂聲， 因為揚聲器端子之間的偏置電壓在從取消靜音到靜音時(shí)  會(huì )從直流偏置電壓變?yōu)?0 ，這種過(guò)渡會(huì )使電流流入揚聲  器線(xiàn)圈，較大的直流偏置電壓在靜音時(shí)會(huì )導致更大的爆  裂噪聲。圖 5 總結了揚聲器在不同播放控制階段的偏置  電壓。Vb 是稱(chēng)為直流偏置電壓的偏移電壓。

圖5 應用于揚聲器的偏置電壓

預補償旨在減少輸出脈沖的不匹配并降低施加在揚 聲器上的偏置電壓水平，最終減少從靜音到取消靜音或 從取消靜音到靜音時(shí)的爆裂噪聲。從圖 4 中我們知道， 功率放大器在 5-6 個(gè)周期調節后最終輸出 50% 占空比 的脈沖，此外，功率放大器的開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 300 kHz， 而人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)范圍是 20 Hz-20 kHz，因此由 50% 占空 比脈沖產(chǎn)生的直流偏置電壓 Vb 是導致爆裂噪聲的主要能量源，SPKN-SPKP 從 0 到Vb 的躍變是點(diǎn)擊聲的根 本原因。減少Vb 將抑制爆裂噪聲。Vb 是在穩定調制階 段的固定值，它是單端A 和單端B 之間的不平衡，因 此Vb 是調制器的校正參數。

圖6 預補償原理圖和波形圖

圖6預補償原理圖中，微調電阻Rc1和 Rc2 用于預 補償，微調電阻調整比較器上的直流電平并減少單端 A 和單端B 之間的調制不匹配。以下方程解釋了預補償的 工作原理。

1)Vcl=Vc2,SPKN-SPKP=Vb

方程1顯示了沒(méi)有預補償的功率放大器。調整Rcl 和Rc2的值使以下方程成立。

2)Vcl-Vc2=Vb

然后

3)SPKP=SPKN

在預補償之前，Vb 可能為正或負。例如，SPKN> SPKP, 那么需要調整Vcl>Vc2 直到減去Vb 的值。

4 實(shí) 驗

圖7 爆裂噪聲測試平臺

Figure 7 該平臺用于爆裂噪聲評估，V-Meter 可以 測量直流偏置電壓，Sound meter 可以測量來(lái)自揚聲器 的爆裂噪聲的聲壓。靜音按鈕用于將功率放大器從靜音 切換到取消靜音或從取消靜音切換到靜音，Sound meter 的麥克風(fēng)傳感器與揚聲器在同一條線(xiàn)上，Sound meter 將測量揚聲器的聲壓級。該平臺設置在靜音室中，然后 分別進(jìn)行有預補償和無(wú)預補償的測試，數據列在以下表格中。

測試結果表明，預補償可以減少直流偏置電壓，同時(shí)預補償方法可以在靜音到取消靜音的過(guò)渡過(guò)程中抑制爆裂噪聲。

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