CN109756195A - 自扩频调制d类音频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及D类音频功率放大器，具体涉及一种具备自扩频调制功能的D类音频功率放大器。其特征在于：所述自扩频调制D类音频功率放大器由自扩频调制电路、功率输出电路和扬声器构成。所述自扩频调制电路由前级放大电路、全波整流电路、扩频三角波发生电路以及调制电路构成。采用音频自扩频的方法对音频进行调制，调制后的信号仅包含载波信号和音频信号，信号成分纯净，避免引入与音频无关的信号作为扩频信号，减少信号失真的可能。同时，利用扬声器的等效模型并根据人耳的自然滤波特性，采用免滤波器的输出方式，从而降低电路的功耗、面积开销和制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及D类音频功率放大器，具体涉及一种自扩频调制D类音频功率放大器。
背景技术
与输出级偏置于线性工作状态的A类、B类和AB类等传统音频功率放大器不同，D类功放的输出级只工作于开关状态，这种工作方式决定了D类功放具备极高的工作效率。D类音频放大器的高效率可以大大延长电池的使用时间，因而被广泛引用于依赖电池供电的便携式影音设备中。对于便携式设备而言，应用扩频调制技术可以有效地抑制电磁干扰，同时也更降低成本和节能。
D类功放扩频调制的主要短板，来自于D类功放是开关型功放，往往需要外接庞大的滤波器还原音频信号并减小电磁辐射，但对于应用在便携式数码产品上的D类功放，庞大的滤波器必然会增加PCB的面积，产生的额外功耗也不容忽视，应尽力免去滤波器的使用。当D类功放免去滤波器的使用后，功率输出级所产生的电磁辐射会影响到自身系统性能和周边设备工作，使D类功放无法通过电磁兼容验证标准，导致产品无法推出市场。另外，基于伪随机码的扩频调制方法由于扩频信号包含了有效的信息成分，这些信息成分会进入音频范围，最终使输出的音频信号失真。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一款具有自扩频调制D类音频功率放大器，用以解决以上问题。
本发明提出一款具有自扩频调制D类音频功率放大器，其特征在于：所述自扩频调制D类音频功率放大器由自扩频调制电路、功率输出电路和扬声器构成；所述自扩频调制电路由前级放大电路、全波整流电路、扩频三角波发生电路以及调制电路构成；所述前级放大电路对音频信号进行预放大，预放大后的音频信号被所述全波整流电路整流，得到自扩频信号，自扩频信号用于控制扩频时钟的频率，使扩频时钟的频率跟随音频信号变化；所述扩频时钟后接一阶RC积分电路，将扩频时钟信号转换为扩频三角波信号；与此同时，音频信号和扩频后的三角波信号被接入到调制电路，最终经调制后得到信号只包含音频信号和载波信号。
进一步地，所述扬声器由音圈电感L C，音圈电阻R C，以及扬声器自身机械构件在电学上反映出的等效电学元件构成；所述等效电学元件包括反映悬置柔软度（力顺）等效电感L CES，反映振膜和音圈惯性的等效电容C MEC以及反映维持悬置电能损耗的等效电阻R EC。
进一步地，所述前级放大电路采用双通道接法。
进一步地，所述全波整流电路主要是利用二极管的箝位作用而获得全波整流效果的。
进一步地，所述三角波产生电路由扩频时钟，反相器，限流电阻R saw以及电荷泵电容C saw构成。
进一步地，所述调制电路主要由积分运算电路构成。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的自扩频调制D类音频功率放大器，在无外接滤波器直接输出的情况下，为减小载波高频脉冲产生的电磁干扰，提出音频自扩频调制方法，以降低输出信号的电磁辐射；同时，采用音频自扩频的方法对音频进行调制，调制后的信号仅包含载波信号和音频信号，信号成分纯净，避免引入与音频无关的信号作为扩频信号，减少信号失真的可能。最后，利用扬声器的等效模型并根据人耳的自然滤波特性，采用免滤波器的输出方式，从而降低电路的功耗、面积开销和制备成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的扬声器机械结构剖面图；
图2为扬声器电学模型（音频范围）；
图3为扬声器简化电学模型；
图4为自扩频调制D类音频功率放大器模块结构图；
图5为自扩频调制D类音频功率放大器电路结构图；
图6为音频信号的全波整流电路；
图7 为扩频三角波产生电路；
图8为调制电路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
以双声道音频放大为例，图5给出了具体的电路实施图例，整个电路供电电压为5V，偏置点电压为2.5V。其中前级放大电路采用双通道接法。
图6为音频信号的全波整流电路，该电路主要是利用二极管的箝位作用而获得全波整流效果的。由图可知，运放的正输入端电压为偏置电压减去一个二极管的阈值电压，即2.5-V TH伏。同时运放被接成电压跟随器，即运放的输出端也为2.5-V TH伏。现在再考虑A节点或B节点的电压情况，当输入信号大于2.5伏时，二极管导通，同时二极管的压降为一个阈值电压（对于该二极管为667mV），使得A节点或B节点稳定在2.5V；而当输入信号小于2.5伏时，二极管截止，送至节点A或节点B的信号为输入信号，最后通过电阻使两路信号相加即可获得全波整流信号。
图7为扩频三角波产生电路，该电路由扩频时钟，反相器，限流电阻R saw以及电荷泵电容C saw构成，其中扩频时钟的中心频率设定为1MHz。D类功放是利用三角波与音频信号作幅值比较，然后获得PWM脉冲信号,因此首先要获得三角波信号。三角波信号产生的原理比较简单，只需利用时钟控制电荷泵对电荷泵电容充放电，在电容一端即可获得所需的三角波。三角波的幅度主要是由电荷泵充放电电流的大小以及电荷泵电容的量值决定，而频率由扩频时钟频率决定。
图8为调制电路，电路主要由积分运算电路构成。假设运算放大器正输入端的扩频三角波信号V +=2.5+v saw，负输入端的信号V i=2.5+v i，则由积分运算电路原理可以得到：
（1）
（2）
（3）
由于三角波v saw的频率远大于积分电路的带宽，所以包含v saw的积分项可以忽略，从而有
（4）
可以看出运算放大器输出端的信号为扩频三角波信号和音频信号成分的叠加。在此基础上，通过接入反相器，最终得到PWM信号，该信号只包含音频信号成分和载波信号成分。
选定参数R C=8Ω和L C=60μH的扬声器，由截至频率计算公式可以算得扬声器的截止频率为21.2KHz，所以该扬声器在作为等效的一阶低通滤波器时足以还原音频信号。又由于PWM调制载波的频率较高，，输出信号不可避免地会存在一些残存的高频开关能量，但扬声器在该频率段上具有较高阻抗，相应的功率损耗也是很小的，即使这些开关能量有所表现，也不会被人耳感知而影响听觉感受。
Claims (6)
1.一种自扩频调制D类音频功率放大器，其特征在于：所述自扩频调制D类音频功率放大器由自扩频调制电路、功率输出电路和扬声器构成；所述自扩频调制电路由前级放大电路、全波整流电路、扩频三角波发生电路以及调制电路构成；所述前级放大电路对音频信号进行预放大，预放大后的音频信号被所述全波整流电路整流，得到自扩频信号，自扩频信号用于控制扩频时钟的频率，使扩频时钟的频率跟随音频信号变化；所述扩频时钟后接一阶RC积分电路，将扩频时钟信号转换为扩频三角波信号；与此同时，音频信号和扩频后的三角波信号被接入到调制电路，最终经调制后得到信号只包含音频信号和载波信号。
2.根据权利要求1所述的自扩频调制D类音频功率放大器，其特征在于：所述扬声器由音圈电感L C，音圈电阻R C，以及扬声器自身机械构件在电学上反映出的等效电学元件构成；所述等效电学元件包括反映悬置柔软度（力顺）等效电感L CES，反映振膜和音圈惯性的等效电容C MEC以及反映维持悬置电能损耗的等效电阻R EC。
3.根据权利要求1所述的自扩频调制D类音频功率放大器，其特征在于：所述前级放大电路采用双通道接法。
4.根据权利要求1所述的自扩频调制D类音频功率放大器，其特征在于：所述全波整流电路主要是利用二极管的箝位作用而获得全波整流效果的。
5.根据权利要求1所述的自扩频调制D类音频功率放大器，其特征在于：所述三角波产生电路由扩频时钟，反相器，限流电阻R saw以及电荷泵电容C saw构成。
6.根据权利要求1所述的自扩频调制D类音频功率放大器，其特征在于：所述调制电路主要由积分运算电路构成。
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