CN111740714A - 滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字功率放大器，尤其涉及一种滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，包括：电压反馈外环电路、电流自激内环电路、MOS驱动电路和LC电路；所述LC电路的输入端连接MOS驱动电路的输出端，LC电路的输出端与电压反馈外环电路连接并提供输出电压反馈，LC电路的电容电流作为电流自激内环电路的反馈信号；所述电压反馈外环电路输入端接入输入电压VIN，输出端输出控制电压VM至电流自激内环电路的输入端；所述电流自激内环电路的输出端连接至MOS驱动电路的输入端。本发明的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器具有环路稳定性高、输出阻抗极小、电源抑制比极高和电流取样容易的优点。
Description
技术领域
本发明涉及数字功率放大器，尤其涉及一种滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器。
背景技术
传统D类数字功放，当前市面大多数产品所用原理，一般使用LC前电压反馈，产生误差信号与三角波比较，得到PWM信号驱动开关管，然后LC滤波输出。这种电路并不直接控制输出电压，而且环路难以调得很快，音质差于模拟功放。
IR公司集成芯片原理，使用LC前电压反馈，自激产生PWM信号驱动开关管，性能基本与传统D类数字功放相同。
国外一款功放所用专利电路：发明者Bruno Putzeys，公司hypex，专利号101814899，采用输出电压反馈，利用LC振荡特性加上相位控制，使得在工作频率自激，同时实现极高速的控制特性，性能高于传统电路十倍以上，音质极高。
两款国外公司申请的专利CN101517891A和CN101395793A都是同时从LC前和LC后获取反馈信号，经过复杂的组合自激产生PWM信号，性能与专利号101814899公开的一款功放电路的性能相当。
专利文件CN1471758A公开的一款功放电路，输出电感电流反馈自激方式，稳定性和动态性能可以很高，但是输出阻抗比上述公开的功放电路的输出阻抗高了一个数量级，高频性能并不好，这使得对喇叭的控制力不足。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明公开一种滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，其具体技术方案如下。
一种滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，包括电压反馈外环电路、MOS驱动电路、电流自激内环电路和LC电路，所述LC电路的输入端连接MOS驱动电路的输出端，LC电路的输出端与电压反馈外环电路连接并提供输出电压反馈，LC电路的电容电流作为电流自激内环电路的反馈信号；所述电压反馈外环电路输入端接入输入电压VIN，输出端输出控制电压信号VM至电流自激内环电路的输入端；所述电流自激内环电路的输出端连接至MOS驱动电路的输入端。
进一步的，所述LC电路包括输出电感L1、输出电容C3和负载元件RL，经输出电容C3的电流作为电流检测反馈信号输入至电流自激内环电路，所述输出电感L1的一端接MOS驱动电路的输出端，另一端与输出电容C3的一端和负载元件RL的一端共同连接在同一节点，所述同一节点与电压反馈外环电路连接，负载元件RL另一端和输出电容C3的另一端连接后接地。
进一步的，所述输出电容C3的电流通过电流检测传感器测量获得，测量输出电容C3的电流作为电流检测反馈信号的反馈值或测量输出电感L1的电流与经负载元件RL的电流，并将两者的差值作为电流检测反馈信号的反馈值。
进一步的，所述电流检测传感器包括高频电流互感器或电阻或高频电流检测芯片。
进一步的，所述电压反馈外环电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、运算放大器U1、电容C1和电容C2；电阻R3的一端接入输入电压VIN，另一端接入运算放大器U1的反相输入端；电阻R1的一端和电阻R2的一端连接后与电阻R3的另一端连接，电阻R1的另一端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与电阻R2的另一端连接后接入所述同一节点；电容C2的一端接电阻R3和电阻R2间节点。
进一步的，所述电流自激内环电路包括电阻R5、电阻R6和比较器U2；所述电阻R5的一端接所述电容C2另一端与所述运算放大器U1输出端的间节点，另一端与电阻R6的一端相连接后接入比较器U2的同相输入端；电阻R6的另一端与比较器U2的输出端连接。
进一步的，所述电流自激内环电路通过比较器U2利用输出电容C3的电流高频波动形成自激振荡。
进一步的，所述MOS驱动电路的输入端接所述电阻R6的另一端与比较器U2的输出端间节点，输出端通过功率开关电路与LC电路的输入端连接。
本发明的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器具有环路稳定性高、输出阻抗极小、电源抑制比极高、电流取样容易的优点。
附图说明
图1为本发明的电路原理图示意图；
图2为本发明的电路的阶跃响应波形图；
图3为本发明的输出加10KHZ梯形波灌注电流时的响应波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，包括电压反馈外环电路、MOS驱动电路、电流自激内环电路和LC电路，所述LC电路的输入端连接MOS驱动电路的输出端，LC电路的输出端与电压反馈外环电路连接并提供输出电压反馈，LC电路的电容电流作为电流自激内环电路的反馈信号；所述电压反馈外环电路输入端接入输入电压VIN，输出端输出控制电压信号VM至电流自激内环电路的输入端；所述电流自激内环电路的输出端连接至MOS驱动电路的输入端。
所述LC电路包括输出电感L1、输出电容C3和负载元件RL，经输出电容C3的电流作为电流检测反馈信号输入至电流自激内环电路，所述输出电感L1的一端接MOS驱动电路的输出端，另一端与输出电容C3的一端和负载元件RL的一端共同连接在同一节点，所述同一节点与电压反馈外环电路连接，负载元件RL另一端和输出电容C3的另一端连接后接地。
所述输出电容C3的电流通过电流检测传感器测量获得，测量输出电容C3的电流作为电流检测反馈信号的反馈值或测量输出电感L1的电流与经负载元件RL的电流，并将两者的差值作为电流检测反馈信号的反馈值，即所述输出电容C3的电流等于输出电感L1的电流减负载元件RL的电流，输出电容C3电流采样方式可通过高频电流互感元件或电阻或高频电流检测芯片实现，远比测量输出电感L1简单，因为流过输出电容C3的电流为交流电且在接地端。
所述电压反馈外环电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、运算放大器U1、电容C1和电容C2；电阻R3的一端接入输入电压VIN，另一端接入运算放大器U1的反相输入端；电阻R1的一端和电阻R2的一端连接后与电阻R3的另一端连接，电阻R1的另一端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与电阻R2的另一端连接后接入所述同一节点；电容C2的一端接电阻R3和电阻R2间节点。
所述电流自激内环电路包括电阻R5、电阻R6和比较器U2；所述电阻R5的一端接所述电容C2另一端与所述运算放大器U1输出端的间节点，另一端与电阻R6的一端相连接后接入比较器U2的同相输入端；电阻R6的另一端与比较器U2的输出端连接，所述电阻R5、电阻R6和比较器U2共同形成滞环比较，利用滞环比较产生振荡并使得输出电容C3的电流跟踪控制电压信号VM。
所述电流自激内环电路通过比较器U2利用输出电容C3的电流高频波动形成自激振荡。
所述MOS驱动电路的输入端接所述电阻R6的另一端与比较器U2的输出端间节点，输出端通过功率开关电路与LC电路的输入端连接。
具体的，本发明的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器的关键点在于电流自激内环电路使用输出电容C3的电流作为控制量，好处表现在以下两个方面：
动态特性：电流自激内环电路使用比较器U2利用输出电容C3的电流高频波动形成自激振荡，把LC电路不容易控制的特性改造成电流源加电容的积分特性，使得电压反馈外环电路可以用非常高的环路控制速度，稳定性和频响带宽都可以达到极高性能。如图2所示，电路在400KHZ工作频率上，V(aim)为输入信号经放大器放大后得到理想输出波形，V(OUT)为输出电压，I(L1)为输出电感电流，输出比较平滑没有超调的情况下，响应延迟时间只有6us，体现电路频响上有非常高的带宽。
输出阻抗:使用电容电流控制的关键好处在于它包含输出电流，实际等效于零误差的电感电流和负载电流的比较积分控制环路，而且速度非常快，单周期即可完成调整。也就是说，负载电流变化时，电流自激内环电路调节电感电流，使得电容电流不发生变化，这个过程电压反馈外环电路的控制电压信号VM都不需要做出反应，理论上全频率范围是零输出阻抗；如图3所示，V(OUT)为输出电压，I(I3)为加在OUT节点的灌注电流，I(L1) 为输出电感电流，图中显示电感电流很好的跟随了灌注电流，快速抵消了灌注电流的影响，V(OUT)上的扰动非常小，体现了极低的输出阻抗。
电压反馈外环电路输出控制电压信号VM至电流自激内环电路；对输出电容C3的电流波形采样后反馈至电流自激内环电路的比较器U2，通过比较器U2与所述控制电压信号VM在一定滞环值内进行比较，使得电容电流以滞环值范围内围绕控制电压信号VM左右波动。原本输出LC是二阶特性，谐振点上移相接近180度使得传统环路非常不容易稳定且达不到高动态响应速度。电流自激内环电路改变了原本的二阶特性，变为一阶特性，最大移相只有90度，所以电压反馈外环电路即使非常快也可以稳定。
Claims (8)
1.一种滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，包括电压反馈外环电路和MOS驱动电路，其特征在于，还包括电流自激内环电路和LC电路，所述LC电路的输入端连接MOS驱动电路的输出端，LC电路的输出端与电压反馈外环电路连接并提供输出电压反馈，LC电路的电容电流作为电流自激内环电路的反馈信号；所述电压反馈外环电路输入端接入输入电压VIN，输出端输出控制电压信号VM至电流自激内环电路的输入端；所述电流自激内环电路的输出端连接至MOS驱动电路的输入端。
2.如权利要求1所述的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，其特征在于，所述LC电路包括输出电感L1、输出电容C3和负载元件RL，经输出电容C3的电流作为电流检测反馈信号输入至电流自激内环电路，所述输出电感L1的一端接MOS驱动电路的输出端，另一端与输出电容C3的一端和负载元件RL的一端共同连接在同一节点，所述同一节点与电压反馈外环电路连接，负载元件RL另一端和输出电容C3的另一端连接后接地。
3.如权利要求2所述的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，其特征在于，所述输出电容C3的电流通过电流检测传感器测量获得，测量输出电容C3的电流作为电流检测反馈信号的反馈值或测量输出电感L1的电流与经负载元件RL的电流，并将两者的差值作为电流检测反馈信号的反馈值。
4.如权利要求3所述的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，其特征在于，所述电流检测传感器包括高频电流互感器或电阻或高频电流检测芯片。
5.如权利要求2所述的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，其特征在于，所述电压反馈外环电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、运算放大器U1、电容C1和电容C2；电阻R3的一端接入输入电压VIN，另一端接入运算放大器U1的反相输入端；电阻R1的一端和电阻R2的一端连接后与电阻R3的另一端连接，电阻R1的另一端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与电阻R2的另一端连接后接入所述同一节点；电容C2的一端接电阻R3和电阻R2间节点。
6.如权利要求5所述的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，其特征在于，所述电流自激内环电路包括电阻R5、电阻R6和比较器U2；所述电阻R5的一端接所述电容C2另一端与所述运算放大器U1输出端的间节点，另一端与电阻R6的一端相连接后接入比较器U2的同相输入端；电阻R6的另一端与比较器U2的输出端连接。
7.如权利要求6所述的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，其特征在于，所述电流自激内环电路通过比较器U2利用输出电容C3的电流高频波动形成自激振荡。
8.如权利要求6所述的滤波电容电流反馈自激振荡音频数字功率放大器，其特征在于，所述MOS驱动电路的输入端接所述电阻R6的另一端与比较器U2的输出端间节点，输出端通过功率开关电路与LC电路的输入端连接。
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