CN103199800A - Class D消噪电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了Class D消噪电路，包括前置放大器、第一级积分器、第二级积分器、PWM调制器和驱动电路，所述前置放大器连接所述第一级积分器，所述第一级积分器连接所述第二级积分器，所述第二级积分器连接所述PWM调制器，所述PWM调制器连接所述驱动电路，本技术的CLASS D消噪电路采用远高于奈奎斯特（Nyquist）速率采样音频信号，采用二阶Σ-Δ结构音频噪声进行整形，音频信号的频率范围是20Hz～20KHz，电路音频采样的频率为300K，电路的量化噪声就平均分配在0～300KHz频率氛围内，高的采样率使分布在20Hz～20KHz声音频率范围内的量化噪声明显减少，二阶Σ-Δ技术对0～300KHz的噪声进行整形，把0～20KHz频率范围的噪声往更大程度的往高频部分推，但对音频信号没有影响，进一步起到消噪的作用。

Description

Class D消噪电路

技术领域

本发明涉及Class D消噪电路。

背景技术

现有的CLASS D音频功放消噪电路大多采用PWM调制或一阶Σ-Δ(一阶Sigma-Delta)调制技术。PWM调制在实际电路中会增加固有的失真，其采用固定频率载波，会产生载波的多次谐波辐射，大量的EMI会对其它电路产生干扰；一阶Σ-Δ调制这种技术在一定程度上对噪声起到整形作用，但整形效果不是很明显，噪声较显著。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明提出Class D消噪电路。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

Class D消噪电路，包括前置放大器、第一级积分器、第二级积分器、PWM调制器和驱动电路，所述前置放大器连接所述第一级积分器，所述第一级积分器连接所述第二级积分器，所述第二级积分器连接所述PWM调制器，所述PWM调制器连接所述驱动电路。

进一步的，所述前置放大器包括运算放大器OP1，两个输入电阻Rin，两个反馈电阻R1；所述两个输入电阻Rin分别连接运算放大器OP1正极输入端和负极输入端；运算放大器OP1正极输入端和运算放大器OP1的负极输出端Vop1之间串接一个反馈电阻R1，运算放大器OP1负极输入端和运算放大器OP1的正极输出端Von1之间串接另一个反馈电阻R1。

进一步的，所述第一级积分器包括运算放大器OP2、两个输入电阻R2、两个反馈电阻R3及两个积分电容C1，

所述运算放大器OP1的正极输出端Von1和负极输出端Vop1分别连接两个输入电阻R2，所述两个输入电阻R2分别连接运算放大器OP2正极输入端和负极输入端；运算放大器OP2正极输入端和运算放大器OP2的负极输出端Vop2之间串接一个积分电容C1，运算放大器OP2负极输入端和运算放大器OP2的正极输出端Von2之间串接另一个积分电容C1，所述运算放大器OP2正极输入端和驱动电路正极输出端之间串接一个反馈电阻R3，所述运算放大器OP2负极输入端和驱动电路负极输出端之间串接另一个反馈电阻R3。

进一步的，所述第二级积分器包括运算放大器OP3、两个输入电阻R4、两个反馈电阻R5和两个积分电容C2，所述运算放大器OP2的正极输出端Von2和负极输出端Vop2分别连接两个输入电阻R4，所述两个输入电阻R4分别连接运算放大器OP3正极输入端和负极输入端；运算放大器OP3正极输入端和运算放大器OP3的负极输出端Vop3之间串接一个积分电容C2，运算放大器OP3负极输入端和运算放大器OP3的正极输出端Von3之间串接另一个积分电容C2，所述运算放大器OP3正极输入端和驱动电路负极输出端之间串接一个反馈电阻R5，所述运算放大器OP3负极输入端和驱动电路正极输出端之间串接另一个反馈电阻R5。

进一步的，所述PWM调制器包括两个比较器comp和三角波发生器OSC，所述运算放大器OP3的负极输出端Vop3连接一个比较器comp的正极输入端，所述运算放大器OP3的正极输出端Von3连接另一个比较器comp的正极输入端，所述三角波发生器OSC连接两个比较器comp的负极输入端。

进一步的，所述驱动电路包括两个门级驱动模块和第一大功率mos管、第二大功率mos管、第三大功率mos管、第四大功率mos管、，所述两个比较器comp的输出端分别各自连接两个门级驱动模块，一个门级驱动模块的两个输出端分别连接第一大功率mos管的栅极和第二大功率mos管的栅极，另一个门级驱动模块的两个输出端分别连接第三大功率mos管的栅极和第四大功率mos管的栅极，所述第一大功率mos管的源极接电源，所述第一大功率mos管的漏极接第二大功率mos管的漏极，第二大功率mos管的源极接地；所述第三大功率mos管的源极接电源，所述第三大功率mos管的漏极接第四大功率mos管的漏极，第四大功率mos管的源极接地。

本发明的有益效果在于：本技术的CLASS D消噪电路采用远高于奈奎斯特（Nyquist）速率采样音频信号，采用二阶Σ-Δ结构音频噪声进行整形。音频信号的频率范围是20Hz～20KHz，电路音频采样的频率为300K，电路的量化噪声就平均分配在0～300KHz频率氛围内，高的采样率使分布在20Hz～20KHz声音频率范围内的量化噪声明显减少。二阶Σ-Δ技术对0～300KHz的噪声进行整形，把0～20KHz频率范围的噪声往更大程度的往高频部分推，但对音频信号没有影响，进一步起到消噪的作用。通过调节R5、R3、R4、R2、C2、C1的大小，可以把0～20KHz频率范围的噪声往高频部分推，但对音频信号没有影响，起到消噪的作用。Σ-Δ调制技术由于具有噪声整形特性，并且PWM调制使输出信号能量分布在很宽的频带范围内，所以在采样精度和抗EMI方面具有更好的性能。

附图说明

图1为本发明的电路图。

图2为本发明简化后的电路图;

图3为本发明的半边等效电路;

图4为包含噪声源的简化电路小信号模型。

附图标记：前置放大器1；第一级积分器2；第二级积分器3；PWM调制器4；驱动电路5。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，消噪电路结合PWM调制和二阶Σ-Δ结构。

Class D消噪电路，包括前置放大器、第一级积分器、第二级积分器、PWM调制器和驱动电路，所述前置放大器连接所述第一级积分器，所述第一级积分器连接所述第二级积分器，所述第二级积分器连接所述PWM调制器，所述PWM调制器连接所述驱动电路。所述前置放大器包括运算放大器OP1，两个输入电阻Rin，两个反馈电阻R1；所述两个输入电阻Rin分别连接运算放大器OP1正极输入端和负极输入端；运算放大器OP1正极输入端和运算放大器OP1的负极输出端Vop1之间串接一个反馈电阻R1，运算放大器OP1负极输入端和运算放大器OP1的正极输出端Von1之间串接另一个反馈电阻R1。所述第一级积分器包括运算放大器OP2、两个输入电阻R2、两个反馈电阻R3及两个积分电容C1，所述运算放大器OP1的正极输出端Von1和负极输出端Vop1分别连接两个输入电阻R2，所述两个输入电阻R2分别连接运算放大器OP2正极输入端和负极输入端；运算放大器OP2正极输入端和运算放大器OP2的负极输出端Vop2之间串接一个积分电容C1，运算放大器OP2负极输入端和运算放大器OP2的正极输出端Von2之间串接另一个积分电容C1，所述运算放大器OP2正极输入端和驱动电路正极输出端之间串接一个反馈电阻R3，所述运算放大器OP2负极输入端和驱动电路负极输出端之间串接另一个反馈电阻R3。所述第二级积分器包括运算放大器OP3、两个输入电阻R4、两个反馈电阻R5和两个积分电容C2，所述运算放大器OP2的正极输出端Von2和负极输出端Vop2分别连接两个输入电阻R4，所述两个输入电阻R4分别连接运算放大器OP3正极输入端和负极输入端；运算放大器OP3正极输入端和运算放大器OP3的负极输出端Vop3之间串接一个积分电容C2，运算放大器OP3负极输入端和运算放大器OP3的正极输出端Von3之间串接另一个积分电容C2，所述运算放大器OP3正极输入端和驱动电路负极输出端之间串接一个反馈电阻R5，所述运算放大器OP3负极输入端和驱动电路正极输出端之间串接另一个反馈电阻R5。所述PWM调制器包括两个比较器comp和三角波发生器OSC，所述运算放大器OP3的负极输出端Vop3连接一个比较器comp的正极输入端，所述运算放大器OP3的正极输出端Von3连接另一个比较器comp的正极输入端，所述三角波发生器OSC连接两个比较器comp的负极输入端。所述驱动电路包括两个门级驱动模块和第一大功率mos管、第二大功率mos管、第三大功率mos管、第四大功率mos管、，所述两个比较器comp的输出端分别各自连接两个门级驱动模块，一个门级驱动模块的两个输出端分别连接第一大功率mos管的栅极和第二大功率mos管的栅极，另一个门级驱动模块的两个输出端分别连接第三大功率mos管的栅极和第四大功率mos管的栅极，所述第一大功率mos管的源极接电源，所述第一大功率mos管的漏极接第二大功率mos管的漏极，第二大功率mos管的源极接地；所述第三大功率mos管的源极接电源，所述第三大功率mos管的漏极接第四大功率mos管的漏极，第四大功率mos管的源极接地。

整个电路采用全差分的结构，可以减少共模干扰，如电源电压的波动，外面的共模噪声等。电路由前置放大器、第一级积分器、第二级积分器、PWM调制器、驱动电路组成。

差分音频信号输入端为V_IN+、V_IN-，差分音频信号输出端为V_O+、V_O-，三角波发生器OSC为300K的三角波输入信号。前置放大器对输入差分信号（V_IN+、V_IN-）进行一定倍数的放大；前置放大器的输出信号（V_op1、V_on1）跟差分音频输出信号（V_O+、V_O-）作为第一级积分器的输入信号；第一级积分器的输出信号（V_op2、V_on2）跟差分音频输出信号（V_O+、V_O-）作为第二级积分器的输入信号；第二级积分器的输出信号（V_op3、V_on3）及OSC产生的三角波波信号作为PWM调制器的输入信号；PWM调制器的输出信号则为驱动电路的输入信号。

由第一级积分器、第二级积分器、PWM调制器和驱动电路组成的整个环路构成二阶Σ-Δ电路对输入音频信号的噪声进行噪声整形并对输入音频信号完成第二次放大。

若将PWM调制电路、驱动电路作为一个模块，并假设该模块的相移为0，增益为G_PWM,则该系统可以简化为图2所示结构。利用“半边等效电路”分析方法，并假设积分器的运算放大器增益无穷大、带宽远大于环路带宽，则上述全差分系统可进一步简化为图3所示结构，图中运算放大器的输入端可看作“虚地”。

由图3所示的半边等效电路可知，从V₁到V_O的增益为

$A_{V2}\left(S\right)=\frac{V_O}{V_1}=\frac{\frac{R_5}{R_4}}{1+\frac{S{R}_4{C}_2}{G_{\mathrm{PWM}}}}$

式中，S＝jω，j为虚数单位，ω为角频率。

从V_IN到输出端V_O的环路增益为：

$A_{V1}\left(S\right)=\frac{V_O}{V_{\mathrm{IN}}}=\frac{R_1}{R_{\mathrm{IN}}}\·\frac{\frac{R_3}{R_2}}{1+S\frac{R_3{C}_1}{A_{V2}}}=\frac{R_1}{R_{\mathrm{IN}}}\·\frac{\frac{R_3}{R_2}}{S^2\frac{R_4{R}_3{C}_2{C}_1}{G_{\mathrm{PWM}}}+S\frac{R_4}{R_5}{R}_3{C}_1+1}$

式中，

为前置放大器的放大倍数，如图3所示。

功放在PWM调制过程中会产生噪声，为分析该噪声对输出信号的影响，图4给出了包含噪声源的简化电路小信号模型。在图4的小信号模型中，假设噪声为V_N,O(S)，并将输入端接地，则输出噪声可表示

为：

$V_{N,O}\left(S\right)=\frac{S^2{R}_5{R}_4{R}_3{C}_2{C}_1}{S^2{R}_5{R}_4{R}_3{C}_2{C}_1-S{G}_{\mathrm{PWM}}{R}_4{R}_3{C}_1+G_{\mathrm{PWM}}{R}_5}$

以上两式中，A_V1(S)为信号传输函数，V_N,O(S)为噪声传输函数，根据传输函数可得该电路对信号就有低通滤波的作用，对噪声则有高通滤波的作用。通过调节R5、R3、R4、R2、C2、C1的大小，可以起到把0～20KHz频率范围的噪声往高频部分推，但对音频信号没有影响，起到消噪的作用。Σ-Δ调制技术由于具有噪声整形特性，并且PWM调制使输出信号能量分布在很宽的频带范围内，所以在采样精度和抗EMI方面具有更好的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (6)

1.Class D消噪电路，其特征在于，包括前置放大器、第一级积分器、第二级积分器、PWM调制器和驱动电路，所述前置放大器连接所述第一级积分器，所述第一级积分器连接所述第二级积分器，所述第二级积分器连接所述PWM调制器，所述PWM调制器连接所述驱动电路。

2.根据权利要求1所述的Class D消噪电路，其特征在于，所述前置放大器包括运算放大器OP1，两个输入电阻Rin，两个反馈电阻R1；所述两个输入电阻Rin分别连接运算放大器OP1正极输入端和负极输入端；运算放大器OP1正极输入端和运算放大器OP1的负极输出端Vop1之间串接一个反馈电阻R1，运算放大器OP1负极输入端和运算放大器OP1的正极输出端Von1之间串接另一个反馈电阻R1。

3.根据权利要求2所述的Class D消噪电路，其特征在于，所述第一级积分器包括运算放大器OP2、两个输入电阻R2、两个反馈电阻R3及两个积分电容C1，所述运算放大器OP1的正极输出端Von1和负极输出端Vop1分别连接两个输入电阻R2，所述两个输入电阻R2分别连接运算放大器OP2正极输入端和负极输入端；运算放大器OP2正极输入端和运算放大器OP2的负极输出端Vop2之间串接一个积分电容C1，运算放大器OP2负极输入端和运算放大器OP2的正极输出端Von2之间串接另一个积分电容C1，所述运算放大器OP2正极输入端和驱动电路正极输出端之间串接一个反馈电阻R3，所述运算放大器OP2负极输入端和驱动电路负极输出端之间串接另一个反馈电阻R3。

4.根据权利要求3所述的Class D消噪电路，其特征在于，所述第二级积分器包括运算放大器OP3、两个输入电阻R4、两个反馈电阻R5和两个积分电容C2，

所述运算放大器OP2的正极输出端Von2和负极输出端Vop2分别连接两个输入电阻R4，所述两个输入电阻R4分别连接运算放大器OP3正极输入端和负极输入端；运算放大器OP3正极输入端和运算放大器OP3的负极输出端Vop3之间串接一个积分电容C2，运算放大器OP3负极输入端和运算放大器OP3的正极输出端Von3之间串接另一个积分电容C2，所述运算放大器OP3正极输入端和驱动电路负极输出端之间串接一个反馈电阻R5，所述运算放大器OP3负极输入端和驱动电路正极输出端之间串接另一个反馈电阻R5。

5.根据权利要求4所述的Class D消噪电路，其特征在于，所述PWM调制器包括两个比较器comp和三角波发生器OSC，所述运算放大器OP3的负极输出端Vop3连接一个比较器comp的正极输入端，所述运算放大器OP3的正极输出端Von3连接另一个比较器comp的正极输入端，所述三角波发生器OSC连接两个比较器comp的负极输入端。

6.根据权利要求5所述的Class D消噪电路，其特征在于，所述驱动电路包括两个门级驱动模块和第一大功率mos管、第二大功率mos管、第三大功率mos管、第四大功率mos管、，所述两个比较器comp的输出端分别各自连接两个门级驱动模块，一个门级驱动模块的两个输出端分别连接第一大功率mos管的栅极和第二大功率mos管的栅极，另一个门级驱动模块的两个输出端分别连接第三大功率mos管的栅极和第四大功率mos管的栅极，所述第一大功率mos管的源极接电源，所述第一大功率mos管的漏极接第二大功率mos管的漏极，第二大功率mos管的源极接地；所述第三大功率mos管的源极接电源，所述第三大功率mos管的漏极接第四大功率mos管的漏极，第四大功率mos管的源极接地。

Images