只生武

（無(wú)錫晶源微電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214028）

D類(lèi)功放輸出功率調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

只生武

（無(wú)錫晶源微電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214028）

D類(lèi)音頻功放具有高效率的優(yōu)點(diǎn)，但是隨著功率的不斷提高，通常需要完善的保護(hù)及限制電路。設(shè)計(jì)介紹了一種用于高功率D類(lèi)音頻功率放大器的輸出功率調(diào)節(jié)電路，可以通過(guò)芯片外部引腳輸入電壓或編程的方式動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功放的輸出功率?？刂品绞讲捎昧讼拗戚斎胄盘?hào)最大幅度的方法，分別介紹了電路的控制原理與電路實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果顯示，該電路達(dá)到了較好的調(diào)節(jié)效果，具有好的調(diào)節(jié)線性度，提高了高功率放大器電路的可靠性。

D類(lèi)功放；功率調(diào)節(jié)；幅度限制

1 引言

D類(lèi)音頻功放具有效率高、輕便等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為功率放大器的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是在大功率應(yīng)用場(chǎng)合。近年來(lái)，隨著調(diào)制技術(shù)與集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，D類(lèi)功放的保真度逐年提高，設(shè)計(jì)與成本已經(jīng)不再成為限制D類(lèi)功放發(fā)展的因素，并且D類(lèi)功放與數(shù)字音響可以很好地相通。在提倡節(jié)能環(huán)保的大背景下，D類(lèi)功放技術(shù)必然成為主流。然而隨著功率的增大，對(duì)D類(lèi)功放電路及其系統(tǒng)的保護(hù)就顯得尤為重要。

2 D類(lèi)音頻功放原理

典型的D類(lèi)音頻功放信號(hào)流如圖1所示。圖1中由輸入差分放大級(jí)、斜波發(fā)生器、PWM比較器、功率輸出級(jí)及濾波電路組成。其中，斜波發(fā)生器產(chǎn)生遠(yuǎn)高于輸入信號(hào)頻率的三角波，輸入差分放大級(jí)將音頻小信號(hào)差分放大，使其信號(hào)的幅度與斜波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波幅度相當(dāng)。然后PWM比較器將放大后的輸入音頻信號(hào)與三角波進(jìn)行比較，將音頻信號(hào)的幅度轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM信號(hào)的占空比，輸出PWM信號(hào)。

圖1 典型D類(lèi)功放結(jié)構(gòu)原理框圖

其調(diào)制原理如圖2所示。當(dāng)三角波幅度大于信號(hào)幅度時(shí)，PWM比較器輸出為低電平。而當(dāng)三角波幅度小于信號(hào)幅度時(shí)，PWM比較器輸出為高電平。那么，由于三角波的幅度與頻率是固定不變的，當(dāng)信號(hào)幅度發(fā)生變化時(shí)，輸出PWM信號(hào)的占空比就會(huì)隨著信號(hào)的幅度發(fā)生相應(yīng)變化。經(jīng)過(guò)這一調(diào)制過(guò)程，就將信號(hào)的幅度參數(shù)映射到了PWM信號(hào)的占空比上。為了最大限度地提高效率，減少內(nèi)部電路的功率損耗，PWM比較器通常在低壓下工作，而輸出功率級(jí)為了實(shí)現(xiàn)高功率，通常工作在高壓下，所以中間必須有電平轉(zhuǎn)換電路。經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后的PWM信號(hào)由柵驅(qū)動(dòng)電路增強(qiáng)后驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET工作，輸出高壓大電流的PWM信號(hào)，最大輸出功率通常與功率輸出級(jí)的MOS管能力相關(guān)。

圖2 調(diào)制原理示意圖

最后通過(guò)低通濾波器將PWM信號(hào)濾波后還原為原始的輸入信號(hào)，即將PWM的占空比再次恢復(fù)為信號(hào)的幅度參數(shù)。經(jīng)過(guò)這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的放大。在該轉(zhuǎn)換過(guò)程中，大功率MOSFET工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，自身?yè)p耗較小，因此可以實(shí)現(xiàn)高效率。

3 輸出功率限制電路設(shè)計(jì)

由于D類(lèi)功放的高效率，D類(lèi)功放的功率可以做得很大而不必?fù)?dān)心散熱問(wèn)題。但是過(guò)大的功率會(huì)造成揚(yáng)聲器的損壞。為了適應(yīng)不同的功率需求，在D類(lèi)功放中加入功率調(diào)節(jié)單元是一個(gè)很好的選擇。這樣不僅增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，并且實(shí)現(xiàn)了功放的智能化。

在不改變功放增益的前提下，一種最實(shí)用的方式是動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的最大限制幅度。下面介紹一種在D類(lèi)音頻功率放大器前置差分放大電路中限制信號(hào)幅度的方法，其實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

圖3 輸入幅度限制電路原理

實(shí)際上，該電路輸入差分放大由運(yùn)放A1與A2構(gòu)成的兩級(jí)低通濾波器組成。INP與INN為幅度相同但相位相反的差分輸入信號(hào)，OUTP與OUTN為放大后的差分信號(hào)，Rf為反饋電阻，A3是實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)所需的放大器，該放大器的輸入信號(hào)為濾波器信號(hào)輸出OUTP與OUTN，A3的輸出控制A1的輸入信號(hào)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)功能。信號(hào)的相位關(guān)系見(jiàn)圖3。當(dāng)OUTP或OUTN其中一個(gè)的信號(hào)幅度小于VM時(shí)，表明信號(hào)太大，輸出功率超過(guò)了限制的功率，則此時(shí)運(yùn)放A3相應(yīng)的輸出翻轉(zhuǎn)，將A1的輸入信號(hào)進(jìn)行限制，使OUTP或OUTN產(chǎn)生削波，限制其幅度。但是當(dāng)輸入信號(hào)幅度在正常功率范圍內(nèi)時(shí)，A1的輸入信號(hào)應(yīng)不受A3的影響，需要將A3的輸出與電路斷開(kāi)。而要想實(shí)現(xiàn)不同的輸出功率，只需通過(guò)外部引腳或者編程的方式來(lái)控制VM電壓的大小就可以了。

經(jīng)過(guò)以上分析，所設(shè)計(jì)的放大器A3具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。其中，由M2與M3構(gòu)成源極輸入差分對(duì)，R1與C1構(gòu)成低通濾波，使柵極電位穩(wěn)定。靜態(tài)時(shí)，M2與M3柵極電位為：

設(shè)計(jì)M10、M15、M16具有相同的寬長(zhǎng)比，則穩(wěn)態(tài)時(shí)流過(guò)M1、M2、M3的電流相等，若M1～M3也具有相同的寬長(zhǎng)比，則可以得到：

那么M2、M3的柵極電位又可表示為：

只要IN-或IN+的幅度小于VM，M2或M3管就會(huì)導(dǎo)通，使運(yùn)放輸出翻轉(zhuǎn)。由于IN+與IN-為幅度相同但相位相反的差分信號(hào)，當(dāng)IN+低于VM時(shí)，IN-必定高于VM，則M2導(dǎo)通，M3截止，使得M7、M8截止，M4、M9相應(yīng)導(dǎo)通，而使M4下拉OUT+，M9上拉OUT-。同樣，當(dāng)IN-低于VM時(shí)，IN+必定高于VM，使得M7下拉OUT-，M8上拉OUT+，而當(dāng)IN+與IN-均大于VM時(shí)，M1、M10與M7、M9均截止，OUT-與OUT+輸出為高阻態(tài)，使其不會(huì)影響到正常工作。當(dāng)運(yùn)放工作時(shí)，將會(huì)限制對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)，使信號(hào)發(fā)生削波，限制信號(hào)幅度。實(shí)際應(yīng)用中為了獲得較大的跨導(dǎo)，通常會(huì)將M1、M2、M3的寬長(zhǎng)比設(shè)置得較大。

圖4 放大器A3實(shí)現(xiàn)電路圖

4 測(cè)試結(jié)果

將該功率限制模塊加入D類(lèi)功放后進(jìn)行了流片，圖5為芯片整體版圖。對(duì)成品進(jìn)行了整機(jī)測(cè)試，圖6顯示了不同電源電壓、不同增益下輸出功率隨外部調(diào)節(jié)電壓的變化曲線。由測(cè)試結(jié)果可以看出，在不同的增益下，當(dāng)達(dá)到限制點(diǎn)時(shí)，輸出功率隨調(diào)節(jié)電壓的變化而變化，并且輸出功率的大小與調(diào)節(jié)電壓之間具有良好的線性度。當(dāng)調(diào)節(jié)電壓高于限制點(diǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)電壓的改變幾乎不會(huì)影響到電路的輸出功率，實(shí)現(xiàn)了良好的調(diào)節(jié)效果，在較高電源電壓（18 V）的情況下，依然具有較好的調(diào)節(jié)性能。圖7為VCC=12 V、8 Ω負(fù)載，調(diào)節(jié)電壓分別為1 V、2 V、3 V時(shí)輸出信號(hào)的波形?？梢钥闯?，隨著調(diào)節(jié)電壓的減小，輸出信號(hào)的削波程度也相應(yīng)增大，實(shí)現(xiàn)了輸出功率的限制功能。

圖5 實(shí)現(xiàn)的D類(lèi)功放整體版圖

5 結(jié)論

利用調(diào)節(jié)輸入信號(hào)最大幅度的方式，設(shè)計(jì)了一種用于D類(lèi)音頻功率放大器的輸出功率調(diào)節(jié)電路，對(duì)設(shè)計(jì)方案及電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，整機(jī)應(yīng)用時(shí)的測(cè)試結(jié)果顯示電路實(shí)現(xiàn)了良好的調(diào)節(jié)效果與線性度，提高了大功率D類(lèi)功放的可靠性與智能化。

圖6 輸出功率隨調(diào)節(jié)電壓的變化曲線

圖7 VCC=12 V，8 Ω負(fù)載時(shí)不同調(diào)節(jié)電壓下輸出信號(hào)波形

[1] Behzad R. Design of Analog CMOS Integrated Circuits [M]. McGRAW-HALL INTERNATIONAL EDITION, 2001.

[2] Phillip E A, Douglas R H. CMOS 模擬集成電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3] Willy M C S. 模擬集成電路設(shè)計(jì)精粹[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[4] 童詩(shī)白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[5] 方明. 基于D類(lèi)功放的音頻放大器設(shè)計(jì)[D]. 華南理工大學(xué)碩士論文，2010.

[6] 薛超耀. 增益可調(diào)的免濾波D類(lèi)音頻功放芯片的設(shè)計(jì)[D]. 西安電子科技大學(xué)碩士論文，2013.

[7] 賽爾吉?dú)W.佛朗哥. 基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)第三版[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

Design of Class D Power Amplifier with Output Power Adjustment

ZHI Shengwu
（Wuxi Crystal Electronics Co. Ltd., Wuxi 214028, China）

Because the class D audio power amplifier has the advantages of high efficiency, has become the trend of the development of high-power audio amplifier, but with the constant improvement of the power, the reliability of the system is particularly important, often need to perfect protection and limiting circuit. The paper introduces a design for high power class D audio power amplifier output power regulating circuit, can be done by outside chip pins input voltage or programmatically dynamically adjust the output power of the power amplifier. Control method using the method of the biggest limit input signal respectively introduces the control principle and circuit realization of the circuit. Test results show that the circuit has reached the good adjustment effect has good linearity adjustment, improve the reliability of the high power amplifier circuit.

class D power amplifier; power regulation; amplitude limit

TN402

A

1681-1070（2015）07-0014-03

2015-01-21