文中設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于Class D音頻放大器中高性能PWM控制。該控制能夠在較寬的電源電壓范圍內(nèi)，使調(diào)制鋸齒波的輸入電平及音頻輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大后的共模電平跟隨電源電壓的變化而變化。共模電平經(jīng)過(guò)PWM比較器得到占空比隨輸入信號(hào)變化的控制信號(hào)，從而提高系統(tǒng)的輸出功率。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)電源電壓在2.4～5 V范圍變化時(shí)，音頻信號(hào)和調(diào)制鋸齒波的共模電平偏差在2 mV以內(nèi)，同時(shí)鋸齒波的幅度也隨著電源電壓的升高而升高，顯示了良好的線性跟隨性。
音樂手機(jī)和iPad等便攜式音樂設(shè)備對(duì)音頻放大器要求高保真音質(zhì)的同時(shí)，對(duì)放大器效率也提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求。D類放大器的實(shí)際效率可以達(dá)到90%以上，而且體積更小，因此代表了未來(lái)音頻放大器的發(fā)展方向。同時(shí)D類放大器要求能工作在寬輸入電源電壓范圍內(nèi)，以增強(qiáng)D類放大器的通用性。其中PWM比較器是將輸入音頻信號(hào)(通常以正弦信號(hào)表示)與三角波或鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，得到占空比跟隨輸入音頻信號(hào)的PWM信號(hào)傳統(tǒng)PWM控制方式是鋸齒波信號(hào)的幅度范圍保持固定不變。為在高電源電壓時(shí)高輸出功率而設(shè)置合適的鋸齒波幅度，在低電源電壓下會(huì)出現(xiàn)削波失真而無(wú)法正常工作。本文針對(duì)這個(gè)問題，提出了一種高性能PWM控制方式。將鋸齒波信號(hào)的共模電平設(shè)計(jì)成跟隨電源電壓的變化，這樣隨著電源的升高，音頻信號(hào)的幅度也可以隨之拓寬，因此在低電源電壓和高電源電壓時(shí)都可以獲得很高的輸出功率，但是輸入音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大后共模電平會(huì)在基準(zhǔn)電壓電平VREF上，無(wú)法直接與鋸齒波電平進(jìn)行比較，這就需要位移電路將音頻信號(hào)和鋸齒波信號(hào)的共模電平位移到同一個(gè)參考電平上。本文所提出的方案主要包括了鋸齒波產(chǎn)生電路和電平位移電路。
1 電路架構(gòu)分析和設(shè)計(jì)
本文所提出的電路結(jié)構(gòu)主要包括，鋸齒波產(chǎn)生電路和電平位移電路。鋸齒波產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)幅值隨輸入電源VDD變化的鋸齒波信號(hào)VSW，同時(shí)產(chǎn)生VDD的分壓信號(hào)VD，輸入到電平位移電路。電平位移電路是將VREF和VD進(jìn)行線性疊加，使位移后音頻信號(hào)VOUT的共模電平能反映電源電壓的變化，VOUT和VSW的共模點(diǎn)在同一參號(hào)電平上，達(dá)到VREF自適應(yīng)電源電壓變化位移到VSW共模電平的目的。
1.1 鋸齒波產(chǎn)生電路
如下圖(1)為鋸齒波產(chǎn)生電路圖。
電容C0充放電過(guò)程。首先忽略掉C1和M18。初始狀態(tài)下，電容上沒有電荷，電壓為零，即VSW為地電平，與Vp和Vn比較后小于Vp和Vn，那么OSC_COMP輸出SW2=‘0’，關(guān)斷M19，對(duì)電容C0恒流充電，當(dāng)VSW大于Vp電平時(shí)，比較器OSC_COMP輸出翻轉(zhuǎn)，SW2=‘1’，開啟M19，將電容C0上的電荷通過(guò)小電阻R6快速放掉，直到VSW點(diǎn)電壓降到低于Vn時(shí)，SW2=‘0’，再次給電容C0充電。從第二周期開始，電容C0充電初始電壓變?yōu)閂n，而不是地電平，如此循環(huán)反復(fù)，就輸出一個(gè)幅值介于電平Vp和Vn之間的鋸齒波。但是在M19開啟將電容C0的電荷放掉時(shí)，C0上一部分電荷會(huì)用來(lái)抵消M19的溝道電荷，那么VSW就會(huì)瞬時(shí)下降而產(chǎn)生一個(gè)電壓毛刺，C0上的電荷很可能放到Vn以下甚至地電位，對(duì)后面PWM的比較產(chǎn)生不利影響。為了消除這個(gè)毛刺，在電容C0并聯(lián)一個(gè)小電容C1，給C0充電的同時(shí)也給C1充電，當(dāng)C0放電時(shí)，比較器輸出SW1為低電平，關(guān)斷M18，那么C1上的電荷會(huì)轉(zhuǎn)移到M19的溝道電容上，從而消除毛刺。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)，可以設(shè)置電阻R6偏大阻值，減緩鋸齒波的放電過(guò)程。
根據(jù)前面的公式推導(dǎo)，可以推出其頻率公式。假設(shè)充電時(shí)間T，則有
