新型高效D类音频放大器设计

新型低功耗高效率D类音频放大器设计

摘要

本文提出了一种高效率的D类音频放大器。在所提出的D类放大器架构中，对 D类放大器的各个阶段进行了精心设计。调制级采用了二阶德尔塔‐西格玛调制、高 开关频率和三个无源反馈。设计了一种特殊滤波器以提高所提出的D类音频放大器 的质量。该提出的D类放大器架构使用MATLAB进行仿真。仿真结果表明，所提出 的D类放大器架构具有低总谐波失真（<0.001）、高信噪比（>80dB）和高效率 （>95%），这证明了在与其他D类放大器架构的比较中，所提出的D类放大器架构 在总谐波失真和效率方面具有最佳性能。

关键词 ：D类音频放大器，总谐波失真，信噪比，效率，功率放大器

引言

在过去的几十年中，高功率音频放大器已广泛应用于我们的生活中[1]。放大 器的目标是将输入信号以期望的功率和质量在输出端重现[1]。音频放大器可分为 五类：（1）A类放大器，由一个简单的双极结型晶体管（BJT）构成，如图1所示； （2）B类放大器；（3）AB类放大器；（4）C类放大器；以及（5）D类放大器[2]。

在A类放大器中，输入信号被施加到双极结型晶体管（BJT）的基极，输出信 号从其集电极驱动输出。需要注意的是，A类放大器的效率低于50%[1, 3]。

为了提高放大器的性能，已采用多种系统配置，例如A类、B类或AB类放大器， 但这些线性放大器的效率低于78% [2]。为了实现更高的效率并提升放大器性能， 可采用D类结构 [4]。D类结构包含三个主要级：(1) 调制级，(2) 功率级，和 (3) 滤 波级 [4]。

调制级采用的方法可分为两类：（1）脉宽调制（PWM）[3], 和（2）脉冲密度调 制（PDM），例如Delta‐Sigma调制器 [4]。在PWM调制中，比较器根据输入信号和 载波信号生成脉冲信号，但由于载波信号的频率较低 [5]，该方法会导致不必要的信号 和谐波。

另一方面，PDM方法被用于设计低功率放大器。然而，该方法中的不希望的谐 波低于PWM方法[6]。已经提出了多种方法和结构，以根据其级数提高D类放大器的 效率本[7‐文21]。出并评估了一种用于PDM D类音频放大器的新架构。在提出的D类音频 放大器的调制级中，采用了一个具有三状态反馈的二阶Delta‐Sigma调制器。功率 级结构和元件被非常仔细地设计。滤波级的设计旨在相对于功率级输出改善输出质 量。该D类音频放大器的提出架构使用MATLAB进行了仿真。我们的仿真结果表明， 与其它D类音频放大器相比，所提出的D类音频放大器在[17 ‐ 21]方面具有多个优点

本文其余部分组织如下：在第2节中，讨论了D类放大器的背景。在第3节中， 讨论并仿真了提出的方法。第4节将提出的D类音频放大器与其他D类放大器进行了 比较。最后，第5节总结了本文。

2. 背景

2.1. D类放大器

如图2所示，这种放大器具有多个级。注意，为了获得更好的输出并提高该放大 器的效率，应优化这些级。图3[8]显示了一个带有LC滤波器的简单D类音频放大器。

如图3所示，输入模拟信号首先被调制并转换为数字信号。然后，将调制后的 信号施加到金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）的栅极。功率级，即D类开关级， 负责增加所得信号[10]的功率。对于这些MOSFET而言，最重要的因素是其三极管 区。该因素必须尽可能地减小[11]。

2.2. PDM方法

带单状态反馈的一阶Delta Sigma调制框图如图所示 n

图5显示了用于一阶德尔塔‐西格玛调制的电路。该电路使用Proteus进行仿真。

该仿真结果如图6所示。

需要注意的是，量化复杂度和非线性可能会成为输出中某些扰动的来源。为了 在考虑这些不希望出现的信号的情况下模拟一阶德尔塔‐西格玛调制，系统输入端添 加了一个简单的噪声信号。该系统公式如下所示 [14]：

(1)

为了获得完美的输出，需要将噪声推离音频频带，并在滤波级 [15] 处对其进行 滤波。该方程表明，通过找到调制的最佳频率，可能可以滤除这种不需要的噪声。

2.3. 功率级

D类放大器的功率级有两种配置：（1）半桥配置，和（2）全桥配置。在这两 种配置中，主要功能由MOSFET及其驱动器完成。为了提高该级的性能，必须仔细 选择所使用的MOSFET，为了实现高效率，采用了一些新设计的MOSFET，并对 其结果进行比较，以获得最佳可能的输出。与半桥配置相比，全桥配置包含更多的 元件，但在音频放大器中，需要消除直流偏移和谐波失真。这个问题只能通过全桥 配置解决。因此，全桥配置适用于D类放大器。图7显示了一个简单的全桥配置 [16]。

如图7所示，在全桥配置中，两个MOSFET处于导通状态，例如A1和B2, ，而 其他MOSFET处于关断状态，即A2和B1[15]。必须遵守的最重要规则是，A1和 A2或B1和B2绝不能同时处于导通状态。为了控制MOSFET，需要一个称为 MOSFET驱动器的电路。该电路必须根据MOSFET的特性进行设计，例如 MOSFET的栅极电容（Cg）或漏源电阻（rds） [ 16]。

2.4. 滤波器级

在此阶段，任何不需要的噪声或信号在到达输出端之前都必须经过滤波。输入信号 经过调制和放大后，仍为数字形式，而扬声器的输入必须是模拟信号[17]。在选择合适 的滤波器之前，评估系统输出非常重要。为了测试和评估系统输出的质量，必须计算三 个因素：（1）信噪比（SNR），（2）无杂散动态范围（SFDR）和（3）总谐波失真 （THD）[6]。

信噪比用于确定信号功率与噪声功率的关系，其公式如下 [6]：

(2)

信噪比用于测量音频范围内的背景噪声功率，并将其与主信号[6]进行比较。

无杂散动态范围（SFDR）是一个非常重要的参数，当系统中使用模数转换器（ ADC）时会用到该参数[18]。该指标用于确定期望信号与任何不需要的信号之间的比率， 这些不需要的信号可能是谐波或系统复杂性所产生的结果[19]。有时SFDR是由某一谐 波引起的，但为了评估所有谐波与输出之间的比率，会使用另一个称为总谐波失真（ THD）的参数[15, 17]。这两个参数取决于调制技术和系统的复杂性。

滤波器分为两类：（1）无源滤波器和（2）有源滤波器。无源滤波器仅包含电 阻、电感和电容等无源元件，而有源滤波器则包含运算放大器等元件。

3. 提出的模型

本文提出了一种新型D类音频放大器。在提出的D类音频放大器中，所有放大 器级都经过精心设计。本节介绍了提出的D类音频放大器各级的开发架构。

3.1. 调制级

如图8所示，一个积分器被添加到一阶Delta‐Sigma调制器中，因此它变为一 个二阶德尔塔‐西格玛调制器。这样，这个新系统可以具有两个或三个反馈以获得稳 态输出。输出略有改善，但仍然不足；然而，当三个反馈电阻的阻值改变时，输出 端便获得了质量良好的稳态信号。该系统模型在MATLAB中进行了仿真。图9显示 了在MATLAB中使用的模型。

通过改变调制级的每个参数，输出信号也随之改变，因此调制输出质量会有所 变化。为了确定各个系数的值，需在MATLAB中调整所有这些参数，以获得具有高 质量输出信号的稳态系统。需要注意的是，如果以下项的值保持不变，则这些参数 值可以调整：‐a3.s 2, ‐a2.C2.s，‐a1.C1.C2 和 B.C1.C2。该级的输出如图10所示。

调制器频率在D类音频放大器的性能中起着重要作用。如果为调制器使用极高 的频率，元件可能会损坏，但由于系统的限制，这些高频率从未被使用。为了找到 最佳的调制频率，首先必须设计其他两个阶段的配置，然后根据输出效率和质量确 定每个阶段的参数。

3.2. 功率级

本文中，我们采用全桥配置来提高所提出放大器的效率。数字信号应用于输入 端，并监测输出端。结果表明，输出端显示出与输入端相反的波形，且幅值为45伏。 该结果表明，此级工作正常。

如前所述，功率级的一个非常重要的部分是MOSFET驱动器。为了驱动这些 MOSFET，需要设计一个新的电路。用于MOSFET驱动器的电路如图11所示。

3.3. 滤波器级

本文中，我们使用了无源滤波器。巴特沃斯滤波器是一种重要的滤波器，被选 择用于提出的D类音频放大器中。该滤波器的公式通过其元件及其配置来确定。二 阶半电路巴特沃斯滤波器如图12所示。

该滤波器公式如下
(3)
(4)
(5)

利用这些方程，可计算出这些元件的理想值。为了获得最高的效率，应改变滤 波器的配置。不再使用两个接地的电容，而是在两个半电路之间放置一个电容。此 外，为了补偿其他电容，将两个电阻替换为电容。这些改变有助于提高效率。该滤波器的最终配置如图13所示。

该配置是最终的，但这些元件的取值应根据系统输出效率来选择。

3.4. 质量参数

该系统的质量参数可分为4类：（1）效率，（2）频率响应，（3）总谐波失真，以及 （4）信噪比 [2, 6]。对于本系统而言，第一项也是最重要的参数是效率，其计算方式如下：
(6)
其中：
(7)
(8)
Then
(9)
应注意，信噪比是使用(2)计算的。
频率响应的公式如下：
(10)
该系统的总谐波失真也按如下方式计算： p
(11)

为了找到理想的MOSFET，通过将调制器频率从1MHz到30MHz进行变化，观察并测试 系统输出。对于每个晶体管，都存在一个理想频率，例如：IRF3808的理想频率为2MHz。本文中我们采用IRS20124S（Pbf）在5MHz调制频率下工作，从而实现了接近完美的功率效率（96%）和低总谐波失真。该晶体管的特殊特性是其低导通源极电阻（rds）。

滤波元件的选定值为 CL=0.47µF 、C=0.1µF 和 L=20µH。选择电感器时，一个非 常重要的参数是该元件必须具有低电阻。因为所有系统输出都通过电感器后进入扬 声器，因此它们必须具有尽可能低的电阻。

4. 比较

使用MATLAB 2016b对提出的D类音频放大器架构进行了仿真。表1总结了提 出的D类音频放大器在[17‐21]方面与其他D类音频放大器的仿真结果比较。

参数	This paper	[17]	[18]	[19]	[20]	[21]
调制器 架构	数字	PWM	PWM	PWM	DSP	数字
VDD P	50V	60V	20V	50V	18V	80V
P Out max	80W	200W	20W	240W	13W	45W
峰值信噪比 (dB)	78	82.2	91	74.1	87	92.8
THD + N	0.001%	0.017%	0.01%	0.1%	0.07%	0.015%
效率 (%)	97	90	89	N/A	88	93
带宽 (kHz)	30	20	20	20	14	20

根据在表1中所示的仿真结果，提出的D类音频放大器在总谐波失真、效率和带宽方面相比D类音频放大器在[17‐21]内有所改进。尽管信噪比比较显示该参数相比[21]下降了约15%，但输出功率和带宽相比[21]提高了约70%。此外，这些结果表明该系统的性能得到了提升。因此，与其它D类音频放大器相比，提出的D类音频放大器可能更具实用性。

5. 结论

放大器在当今技术中起着重要作用。其主要关注点是效率、输出质量和输出功 率。本文设计并仿真了一种新型PDM D类音频放大器架构。所提出的D类音频放大 器的调制器架构由一个带有三状态反馈的二阶Delta‐Sigma调制器组成。功率级结 构和元件经过仔细测试和选择。滤波级的设计旨在改善相对于功率级输出的输出质 量。所提出的D类音频放大器架构使用MATLAB进行仿真。我们的仿真结果表明， 与其它D类音频放大器相比，所提出的D类音频放大器在[17 ‐ 21]方面具有多个优点。