CN114793313A - 一种具有PSRR增强的Class D音频功放芯片 - Google Patents

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李威
颜克能
袁思彤
杨翰琦
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
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Abstract

本发明是一种增强了电源抑制能力的D类音频功率放大器，包括了二阶补偿器、PWM调制电路、栅极驱动模块、反馈网络和电源噪声消除模块。所述的电源噪声消除模块与二阶补偿器相连，引入了一个与电源噪声大小成合适比例、相位相反的电源噪声与后级引入的电源噪声相抵消。本发明适用于桥式连接连接的扬声器，减小了因为匹配不好而造成的电源噪声问题。

Description

一种具有PSRR增强的Class D音频功放芯片
技术领域
本发明属于D类音频功率放大器，具体涉及到D类音频功率放大器中桥式连接输出的PSRR抑制能力。
背景技术
电源噪声在音频功放中常常是严重影响音频质量的一部分噪声，表现于听音乐时的电流音，在大功率放大器下表现更为明显。长期听到这种噪声会使人感到烦躁，影响听者的心情。
电源噪声的引入通常是在输出功率级引入，通过反馈环路的抑制能力降低电源噪声的影响。但是此种方法仍然会留下人耳清晰可闻的电源噪声。
为了解决上述问题，通常的D类功放使用桥式连接方式就能消除绝大多数的电源噪声，但是桥式连接并不能完全消除所有的电源噪声，这是因为在正负两个通道之间存在不匹配的问题，匹配的差异越大，桥式连接对PSRR的抑制能力就越差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提出一种使用额外噪声消除模块进一步降低电源噪声的D类功放芯片。
本发明的技术原理是在环路中引入一个与电源噪声相位相反大小合适的噪声，与栅极驱动模块的电源噪声相抵消。
本发明的技术方案是：采用一个运算放大器和电阻网络引入上述所要求的电源噪声，并将其连接在二阶补偿器的位置。二阶补偿器与后续的PWM调制电路、栅极驱动模块和反馈网络相连，形成一个闭环的Class D回路。
本发明的特征在于栅极驱动由四只功率管构成，扬声器以桥式连接作为负载。
由于连接在二阶补偿器的第二个积分器的位置，所以其幅度的大小直接反映在二阶补偿器的输出信号上，这样就避免了二阶补偿器的增益对幅度要求造成的麻烦。
本发明的有益效果是，进一步消除了由于反馈回路不匹配问题而引起的桥式连接无法消除的电源噪声，进一步提高了D类功放的音质，滤除了扰人的噪声。
附图说明
图1为本发明的D类音频功放芯片的基本框架；
图2为本发明的D类音频功放中二阶补偿器的具体架构；
图3为本发明提出的电源噪声消除模块电路图；
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点更加清晰，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明的D类音频功放芯片如图1所示。包括二阶补偿器、PWM调制电路、栅极驱动模块、反馈回路和电源噪声消除模块。二阶补偿器的双端输入端连接输入的音频信号和反馈回路的输出，二阶补偿器的双端输出连接PWM调制电路的输入，PWM调制电路的双端输出连接到栅极驱动模块的输入，栅极驱动模块的双端输出连接到反馈回路的输入和扬声器，电源噪声消除模块连接到二阶补偿器的共模输入点。
本发明的二阶补偿器的具体结构如图2所示，包括运算放大器OP1和OP2，电阻R1、R2、R3和R4，电容C1、C2、C3和C4，输入端Vin+、Vin-和Vcm，输出端Vo+和Vo-。其中Vin+和Vin-为双端音频输入的正负两端，Vo+和Vo-为双端音频输出的正负两端。Vin+连接至电阻R1的一段，电阻R1的另一端连接到运算放大器OP1的正端输入和C1的一端，C1的另一端连接到运算放大器OP1的负端输出和电阻R3，R3的另一端连接到运算放大器OP2的正端输入和电容C3，电容C3的另一端连接到运算放大器OP2的负端输出也就是输出节点Vo+，Vin-连接到电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接到运算放大器OP1的负端输入和电容C2的一段，电容C2的另一端连接到运算放大器OP1的正端输出和电阻R4的一段，电阻R4的另一端连接到运算放大器OP2的负端输入和电容C4的一段，电容C4的另一端连接到运算放大器OP2的正端输出和输出节点Vo-，运算放大器OP2的输入节点Vcm连接到电源噪声消除模块的输出。
本发明提出的电源噪声消除模块如图3所示，包括一个运算放大器A0，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，偏置电压源Vbias。其中运算放大器A0的正端输入与偏置电压源Vbias相连，运算放大器A0的负端输入与电阻R1、R2和R3相连；电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端与电源电压相连，电阻R3的另一端与运算放大器A0的输出端相连；运算放大器的输出端连接到二阶补偿器的共模输入点Vcm。
通过计算本发明提出的D类音频功放芯片的电源噪声环路方程可以知道，需要引入的电源噪声的幅度约为电源噪声的
Figure BDA0003470672420000021
倍。
如图3所示的电源噪声消除模块中，电阻R3和电阻R2的比值决定了电源电压噪声的幅度大小，电阻R2和电阻R1的比值由共模电压和电源电压的比值决定，偏压源的大小需要与共模电压相同以满足电路的正常工作。
本发明根据电源噪声模型，提出了相应的解决方案。通过使用电源噪声消除模块，在电路中引入了幅度合适相位相反的电源噪声，与后级栅极驱动模块所引入的电源噪声相抵消，以达到进一步滤除电源噪声的效果。减小了因为电路失配而造成的PSRR下降幅度。从而使得本发明提出的D类音频功放芯片有更好的音质更小的噪声，让用户能保持愉悦的心情体验质量更高的音乐。
D为栅极驱动模块输出的PWM波的Duty Cycle，通常情况下是0.5。
GM为PWM调制电路对音频信号的增益，通常来说调制器的增益是非线性的，但是可以根据实际电路的情况近似为一个常数。

Claims (3)

1.一种具有PSRR增强的Class D音频功放芯片，包括二阶补偿器，PWM调制电路，栅极驱动模块，反馈回路，电源噪声消除模块。其特征在于包括了电源噪声消除模块并且其与二阶补偿器相连，引入了幅度合适相位相反的电源噪声，与栅极驱动的电源噪声相抵消，从而显著提高音频功放的PSRR性能。本发明主要运用于class D音频功率放大器。
所述电源噪声消除模块包括一个运算放大器A0，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，偏置电压源Vbias。其中运算放大器A0的正端输入与偏置电压源Vbias相连，运算放大器A0的负端输入与电阻R1、R2和R3相连；电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端与电源电压相连，电阻R3的另一端与运算放大器A0的输出端相连；运算放大器的输出端连接到二阶补偿器的共模输入点Vcm。
所述的二阶补偿器包括运算放大器OP1和OP2，电阻R1、R2、R3和R4，电容C1、C2、C3和C4，输入端Vin+、Vin-和Vcm，输出端Vo+和Vo-。其中Vin+连接至电阻R1的一段，电阻R1的另一端连接到运算放大器OP1的正端输入和C1的一端，C1的另一端连接到运算放大器OP1的负端输出和电阻R3，R3的另一端连接到运算放大器OP2的正端输入和电容C3，电容C3的另一端连接到运算放大器OP2的负端输出也就是输出节点Vo+，Vin-连接到电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接到运算放大器OP1的负端输入和电容C2的一段，电容C2的另一端连接到运算放大器OP1的正端输出和电阻R4的一段，电阻R4的另一端连接到运算放大器OP2的负端输入和电容C4的一段，电容C4的另一端连接到运算放大器OP2的正端输出和输出节点Vo-，运算放大器OP2的输入节点Vcm连接到电源噪声消除模块的输出。
2.根据权利1要求所述的具有PSRR增强的Class D音频功放芯片，其特征在于所述输出方式为桥式连接。
3.根据权利1要求所述的具有PSRR增强的Class D音频功放芯片，其特征在于所述栅极驱动模块的功率管由4只功率管构成。
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