D类数字音频放大器的制作方法

本发明涉及一种d类数字音频放大器。

背景技术：

近年来，智能音箱、无线耳机成为当下最为热门的音频产品之一。另外，随着人们的消费水平逐步提升，家庭影院系统、车载音响设备以及便携式个人终端(如平板电脑与智能手机等移动多媒体设备)已经在日常生活中普遍出现。各式各样的音频产品是人们聆听声音与语音交流通话的工具，所以对于普通大众用户来说，音质是音频产品一个较为重要的特性。音频功率放大器是音频产品的重要组成部分，它的性能直接影响音频产品的用户体验，因此，高性能的音频功率放大器有极其重要的研究意义。

一个多世纪以来，无数科学家和研究学者致力于追求高保真、高功率、高效率和小体积的音频放大器。时至今日，音频放大器技术已经取得较为全面的发展。目前以高保真为代表的ab类(class-ab)音频放大器和以高效率为代表的d类(class-d)音频放大器是两类主要的音频放大器。ab类音频放大器具有较高高信噪比(snr)和较低的总谐波失真加噪声(thd+n)，使其成为高保真扬声器驱动器的理想选择，但其典型效率仅为65%。相比而言，d类音频放大器具备高效率的特点，理论上可以达到100%，实际上也可以达到85%以上，也因从被广泛应用于便携式音频产品中。但是，d类音频放大器由于其功率管工作在开关状态，使得输出信号存在一定的谐波失真，降低了系统的保真度。因从，如何进一步提高d类音频放大器的保真度，使得能够与ab类音频放大器相媲美的地步，成为今年来高效率、高保真的音频放大器的重要研究方向。另外，随着数字化存储技术的快速发展，导致目前绝大多数的音频信号为数字音源，数字音频接口也已经广泛应用在cd播放机，声卡等设备上。这时，若采用传统的d类模拟音频放大器，则一般需要先采用一个高精度的数模转换器(digital-to-analogconverter，dac)将数字音频信号转化成模拟音频信号，然后再利用d类模拟音频放大器进行功率放大。这种处理方案一方面不仅增加了系统的复杂性，针对无损音质的音频信号对dac的要求极为苛刻；另一方面，所采用的dac必然会引入固有量化噪声，这会直接影响音频的质量，进而之直接导致系统性能下降。为了解决以上d类模拟音频放大器的不足，研究学者们致力于研究高保真、高效率的d类数字音频放大器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种d类数字音频放大器，能够达到高保真度、高效率、高功率性能指标。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种d类数字音频放大器，包括音频数模转换器单元、模拟重构级单元、负载/喇叭；所述音频数模转换器单元包括依次连接的插值滤波器、4阶δσ调制器和数字脉冲宽度调制器，所述插值滤波器的输入端连接数字音频信号；所述模拟重构级单元包括第一单比特数模转换器、第二单比特数模转换器、第一加法器、第二加法器、第一环路滤波器、第二环路滤波器、第一功率管驱动信号控制模块、第二功率管驱动信号控制模块、第一功率输出模块、第二功率输出模块、第一反馈因子模块、第二反馈因子模块、第一电源数模转换器、第二电源数模转换器，所述第一单比特数模转换器的输入端、第二单比特数模转换器的输入端与所述数字脉冲宽度调制器的输出端连接，第一单比特数模转换器的输出端、第二单比特数模转换器的输出端分别经第一加法器、第二加法器与第一环路滤波器的输入端、第二环路滤波器的输入端连接，第一环路滤波器的输出端、第二环路滤波器的输出端分别经第一功率管驱动信号控制模块、第二功率管驱动信号控制模块与第一功率输出模块的控制端、第二功率输出模块的控制端连接，第一功率输出模块还与系统电源电位端、第一电源数模转换器、第一反馈因子模块、负载/喇叭的第一输入端连接，第二功率输出模块还与系统电源电位端、第二电源数模转换器、第二反馈因子模块、负载/喇叭的第二输入端连接，第一反馈因子模块、第二反馈因子模块还分别与第一加法器、第二加法器连接，第一电源数模转换器、第二电源数模转换器还与数字脉冲宽度调制器连接。

在本发明一实施例中，所述第一功率输出模块包括n型功率管和p型功率管，n型功率管的一端与p型功率管的一端相连接，并与第一反馈因子模块、负载/喇叭的第一输入端连接，n型功率管的另一端连接至gnd，p型功率管的另一端与系统电源电位端连接、第一电源数模转换器连接，n型功率管的控制端、p型功率管的控制端与第一功率管驱动信号控制模块连接，所述第二功率输出模的电路结构与第一功率输出模块的电路结构相同。

在本发明一实施例中，所述插值滤波器采用三级半带滤波器和inversesinc滤波器级联，其中第一级半带滤波器的输入端连接数字音频信号，第一级半带滤波器的输出端经第二级半带滤波器、第三级半带滤波器与inversesinc滤波器的输入端连接，inversesinc滤波器的输出端与4阶δσ调制器的输入端连接。

在本发明一实施例中，所述4阶δσ调制器为4阶5位量化输出的δσ调制器，并采用级联积分器前馈结构，所述4阶δσ调制器由5个加法器、4个积分器、15个增益块和1个5位量化器组成。

在本发明一实施例中，所述4阶δσ调制器的具体连接方式为：增益块b1的一端、增益块b2的一端、增益块b3的一端、增益块b4的一端、增益块b5的一端与插值滤波器的输出端连接，并作为所述4阶δσ调制器的输入端，增益块b1的另一端与加法器1的输入端连接；加法器1的输出端与积分器1的输入端连接；积分器1的输出端与增益块c2的一端连接，增益块c2的另一端与加法器2的输入端连接；加法器2的输出端与积分器2的输入端连接；积分器2的输出端与增益块c3的一端连接，增益块c3的另一端与加法器3的输入端连接；加法器3的输出端与积分器3的输入端连接；积分器3的输出端与增益块c4的一端连接，增益块c4的另一端与加法器4的输入端连接；加法器4的输出端与积分器4的输入端连接；积分器4的输出端与增益块a4的一端连接，增益块a4的另一端与加法器5是输入端连接；加法器5的输出端与5位量化器的输入端连接；5位量化器的输出端作为所述4阶δσ调制器的输出端；增益块b2的另一端与加法器2的另一输入端连接；增益块b3的另一端与加法器3的另一输入端连接；增益块b4的另一端与加法器4的另一输入端连接；增益块b5的另一端与加法器5的另一输入端连接；增益块-g1的一端与积分器2的输出端连接，另一端与加法器1的另一输入端连接；增益块-g2的一端与积分器4的输出端连接，另一端与加法器3的另一输入端连接；增益块-c1的一端与5位量化器的输出端连接，另一端与加法器1的另一输入端连接。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明d类数字音频放大器，可以直接兼容数字音频信号而不需要采用高精度的数模转换器，降低电路设计的复杂度；音频放大器基于负反馈技术和σδ调制的噪声整形技术，并折衷考虑系统功耗、效率、线性度等指标之间的关系确定系统的各项参数，有利于实现高保真度、高效率、高功率的音频放大器；本发明在便携式音频产品中有巨大的应用前景。

附图说明

图1为d类数字音频放大器的结构示意图。

图2为插值滤波器的结构示意图。

图3为4阶δσ调制器的结构示意图。

图4为数字脉冲宽度调制的原理图。

图5为模拟重构级的小信号框图。

图6为模拟重构级的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种d类数字音频放大器，包括音频数模转换器单元、模拟重构级单元、负载/喇叭；所述音频数模转换器单元包括依次连接的插值滤波器、4阶δσ调制器和数字脉冲宽度调制器，所述插值滤波器的输入端连接数字音频信号；所述模拟重构级单元包括第一单比特数模转换器、第二单比特数模转换器、第一加法器、第二加法器、第一环路滤波器、第二环路滤波器、第一功率管驱动信号控制模块、第二功率管驱动信号控制模块、第一功率输出模块、第二功率输出模块、第一反馈因子模块、第二反馈因子模块、第一电源数模转换器、第二电源数模转换器，所述第一单比特数模转换器的输入端、第二单比特数模转换器的输入端与所述数字脉冲宽度调制器的输出端连接，第一单比特数模转换器的输出端、第二单比特数模转换器的输出端分别经第一加法器、第二加法器与第一环路滤波器的输入端、第二环路滤波器的输入端连接，第一环路滤波器的输出端、第二环路滤波器的输出端分别经第一功率管驱动信号控制模块、第二功率管驱动信号控制模块与第一功率输出模块的控制端、第二功率输出模块的控制端连接，第一功率输出模块还与系统电源电位端、第一电源数模转换器、第一反馈因子模块、负载/喇叭的第一输入端连接，第二功率输出模块还与系统电源电位端、第二电源数模转换器、第二反馈因子模块、负载/喇叭的第二输入端连接，第一反馈因子模块、第二反馈因子模块还分别与第一加法器、第二加法器连接，第一电源数模转换器、第二电源数模转换器还与数字脉冲宽度调制器连接。

以下为本发明的具体实现过程。

针对数字音频信号，为了避免在d类放大器中使用高精度的数模转换器，降低音频放大器的设计难度，本发明提出了一种兼容数字音频的高保真、高效率的d类数字音频放大器的结构图如图1所示。包括音频数模转换器1、模拟重构级2以及负载/喇叭3。

音频数模转换器1由插值滤波器11、4阶delta-sigma(δσ)调制器12和数字脉冲宽度调制器(dpwm)13组成。模拟重构级2采用btl桥式结构，上下两边电路对称一致，包括单比特数模转换器21、加法器22、环路滤波器23、功率管驱动信号控制模块24、功率输出级25、反馈因子26、电源数模转换器27。其中，功率管由n型功率管mn和p型功率管mp组成。

插值滤波器11的输入端接入数字音频信号，输出端与4阶δσ调制器12的输入端相连接；4阶δσ调制器12的同相输出端与dpwm13的输入端相连接，反相输出端与dpwm13的另一个输入端相连接；dpwm13的输出端与单比特数模转换器21的输入端相连接；单比特数模转换器21的输出端与加法器22的输入端相连接；加法器22的输出端与环路滤波器23的输入端相连接；环路滤波器23的输出端与功率管驱动信号控制模块24的输入端相连接，功率管驱动信号控制模块24的一个输出端与n型功率管mn的栅极相连接，另一个输出端与p型功率管mp的栅极相连接；n型功率管mn的漏极与p型功率管mp的漏极相连接，并且连接到负载/喇叭3的输入端；n型功率管mn的源极与系统的地电位gnd相连接，p型功率管mp的源极与系统的电源电位vp相连接；反馈因子26的一端与n型功率管mn的漏极相连接，另一端与加法器22的输入端相连接；电源数模转换器27的输入端与电源电位vp相连接，输出端与音频数模转换器1中的dpwm13的输入端相连接。模拟重构级2的另外半边的器件连接关系与上述一致。

音频数模转换器1是对数字音频信号的一个再量化过程，在保证音频信号失真最小的情况下，将高量化位数，低采样频率的数字音频信号再量化成低量化位数，高采样频率的数字音频信号。为了完成这个再量化过程，数字音频信号(假设为pcm编码，并且采样频率为48khz，量化位数为16bits)，经过插值滤波器11进行16倍的插补升频后得到16位量化/48×16khz的数字音频信号，然后利用4阶δσ调制器12的噪声整形技术将16位量化位数的数字音频信号再量化成4位量化的数字音频信号，最后，由dpwm13在数字域中对再量化后的音频信号进行pwm调制输出，作为后级音频放大器的控制信号。

为了尽可能在插补升频的过程中减少音频信号信噪比(snr)的损失，所提出的插值滤波器采用三级半带滤波器和inversesinc滤波器级联，电路结构图如图2所示。半带滤波器1的输入端接入数字音频信号，输出端与半带滤波器2的输入端相连接；半带滤波器2的输出端与半带滤波器3的输入端相连接；半带滤波器3的输出端与inversesinc滤波器的输入端相连接，inversesinc滤波器的输出端即为插补升频后的数字音频信号。借助matlab软件的滤波器辅助设计工具fdatool可以快速设计出所要求的插值滤波器，每级滤波器完成2倍插值功能。

研究表明，16位量化/48khz采样数字音频信号就可以达到无损音质的要求，经过了16倍的插值后，可以采用δσ调制器，利用调制器的噪声整形技术将量化误差推向高频处，从而提高音频带内的信噪比，达到高精度的效果，从而实现再量化过程。已知调制器参数与系统信噪比的关系为：

（1）

其中，n为调制器的量化位数，l为调制器的阶数，osr为调制器输入信号的过采样率。针对16位量化的数字音频信号，在调制过程中要保留音频的全部信息，要求调制器的系统信噪比达到100db以上，并且考虑实现过程中的非理想因素，最后确定为110db。

根据上述分析，已知调制器输入信号的过采样率为16，要达到110db的信噪比调制器可以采用4阶5位量化输出的δσ调制器，调制器采用级联积分器前馈(ciff)结构。4阶δ调制器的结构示意图如图3所示，调制器由加法器、积分器、增益块和1个5位量化器组成。增益块b1的一端与调制器输入信号u(n)连接，另一端与加法器1的输入端连接；加法器1的输出端与积分器1的输入端连接；积分器1的输出端与增益块c2的一端连接，增益块c2的另一端与加法器2的输入端连接；加法器2的输出端与积分器2的输入端连接；积分器2的输出端与增益块c3的一端连接，增益块c3的另一端与加法器3的输入端连接；加法器3的输出端与积分器3的输入端连接；积分器3的输出端与增益块c4的一端连接，增益块c4的另一端与加法器4的输入端连接；加法器4的输出端与积分器4的输入端连接；积分器4的输出端与增益块a4的一端连接，增益块a4的另一端与加法器5是输入端连接；加法器5的输出端与5位量化器的输入端连接；5位量化器的输出端即为调制器的输出信号v(n)；增益块b2的一端与调制器输入信号u(n)连接，另一端与加法器2的另一个输入端连接；增益块b3的一端与调制器输入信号u(n)连接，另一端与加法器3的另一个输入端连接；增益块b4的一端与调制器输入信号u(n)连接，另一端与加法器4的另一个输入端连接；增益块b5的一端与调制器输入信号u(n)连接，另一端与加法器5的另一个输入端连接；增益块-g1(增益值为负数)的一端与积分器2的输出端连接，另一端与加法器1的另一个输入端连接；增益块-g2(增益值为负数)的一端与积分器4的输出端连接，另一端与加法器3的另一个输入端连接；增益块-c1(增益值为负数)的一端与5位量化器的输出端连接，另一端与加法器1的另一个输入端连接。

借助matlab软件的deltasigma工具箱可以快速设计出调制器的各项系数值，使得调制器达到所需要的精度要求。

4阶δσ调制器输出的5位量化/48×16khz采样的数字音频信号经过dpwm13就可以调制成单比特的数字脉冲信号。数字脉冲宽度调制的原理如图4所示。数字载波信号41是一个5位量化的三角波信号，4阶δσ调制器的量化输出信号42在数字脉冲宽度调制后输出单比特的数字脉冲信号43。数字脉冲宽度调制实际上就在数字域中进行的脉冲宽度调制。

模拟重构级2中，音频放大器采用了btl桥式结构，该结构虽然采用了双倍电路成本，但是也获得了双倍的输出功率，同时为了抑制电源噪声对输出音频信号的影响，引入了负反馈技术对电源噪声进行抑制。

模拟重构级的小信号模型如图5所示，包括前置电路(单比特数模转换器)的小信号等效模块h1(s)、加法器、环路滤波器的小信号等效模块h2(s)、功率管驱动信号控制模块及功率管输出级的小信号等效模块hpwm(s)和反馈因子的小信号等效模块hf(s)。前置电路(单比特数模转换器)的小信号等效模块h1(s)51的输入端与模拟重构级2的输入信号vin(s)连接，输出端与加法器52的输入端连接；加法器52的输出端与环路滤波器的小信号等效模块h2(s)53的输入端连接；环路滤波器的小信号等效模块h2(s)53的输出端与功率管驱动信号控制模块及功率管输出级的小信号等效模块hpwm(s)54的输入端连接；功率管驱动信号控制模块及功率管输出级的小信号等效模块hpwm(s)54的输出端与加法器56的输入端连接；加法器56的输出端与音频放大器的输出信号vout(s)连接；同时，加法器56的输出端与反馈模块的小信号等效模块hf(s)55的输入端连接，反馈模块的小信号等效模块hf(s)55的输出端经过反向后与加法器52的输入端连接。另外，功率输出级的等效噪声vn(s)与加法器56的输入端相连接。

根据负反馈原理，可以推导出音频放大器的信号传递函数为：

（2）

同理，可以推导出音频放大器的噪声传递函数为：

（3）

从公式(2)和公式(3)可以看出，音频放大器的信号传递函数为低通滤波型传递函数，噪声传递函数为高通滤波器型传递函数，根据噪声整形的技术原理，当保证系统正常工作情况下确定了其他模块的参数，则音频放大器的噪声抑制能力与环路滤波器的阶数呈正相关，即环路滤波器的阶数越高，音频放大器的噪声抑制能力越强，达到的性能指标越好。但是阶数的增加同时带来电路设计的难度和系统功耗。

本发明采用3阶的环路滤波器结构，包括模拟积分器，增益块和加法器组成，其结构示意图如图6所示。积分器5的输入端为环路滤波器23的输入端，输出端与积分器6的输入端连接；积分器6的输出端与积分器7的输入端连接；积分器7的输出端与增益块d3的一端连接；增益块d3的另一端连接与加法器6的输入端连接；加法器6的输出端为环路滤波器的输出端；同时，增益块d1的一端与加法器6的一个输入端连接，另一端与积分器5的输出端连接；增益块d2的一端与加法器6的一个输入端连接，另一端与积分器6的输出端连接。

根据小信号模型分析，本发明中采用的三阶环路滤波器的传递函数为：

（4）

此外，当功率输出级的电源电压存在较大波动时，对输出音频信号会产生较大的影响，从而影响音频放大器的性能。本发明加入了电源数模转换器27用于时刻检测功率输出级上电源电压的变化，并将该检测实时反馈到数字脉冲宽度调制模块，对音频数模转换器1输出的数字脉冲信号的占空比进行调整，从而保证模拟重构级2不受电源误差的影响，降低了模拟重构级2的设计难度，也有利于提高音频放大器的性能。

本发明设计为一种d类数字音频放大器。包括音频数模转换器和模拟重构级。音频数模转换器中，将高量化位数，低采样频率的无损音质的数字音频信号通过插值滤波器和δσ调制器再量化成低量化位数，高采样频率的数字音频信号，然后通过数字脉冲宽度调制器转化为单比特数字信号输入到模拟重构级。为了保证再量化过程中音质损失处于合理范围内，本发明折衷考虑数字音频信号的过采样率、σδ调制器的性能以及系统功耗。针对16位量化/48khz采样/pcm编码的数字音频信号，采用16倍过采样率，4阶5比特量化输出的σδ调制器，数字调制级系统时钟频率位49.152mhz。模拟重构级中采用btl桥式结构并结合负反馈技术和噪声整形技术能够有效对功率级的电源噪声进行抑制，提高系统的电源抑制比和线性度，以达到高保真度、高效率、高功率的性能指标。另外，引入一个电源模数转换器，时刻检测电源电压的变化，以适时调节数字脉宽信号，确保模拟重构级不受电源误差的影响，从而提高系统的电源调整率。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。