預(yù)補(bǔ)償方法以減少Class D功率放大器的爆裂噪聲

Class D功率放大器在音頻系統(tǒng)中被廣泛使用。 然而，在放大器啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)，以及在靜音 / 取消靜音 切換期間，揚(yáng)聲器中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)爆裂聲或點(diǎn)擊聲。這些 噪音可能會(huì)被聽到，并使用戶感到不適。在音頻系統(tǒng)中 靜音功率放大器是避免在啟動(dòng)或關(guān)閉期間出現(xiàn)爆裂聲的有效方法。此外，音頻系統(tǒng)有時(shí)播放音樂，有時(shí)停止播放，這需要頻繁地靜音或取消靜音放大器。因此，爆裂聲是頻繁靜音和取消靜音控制的關(guān)鍵問題。本文討論了 靜音 / 取消靜音過渡期間爆裂聲的發(fā)生原因，并設(shè)計(jì)了 相應(yīng)的方法來抑制這些噪音。

簡介

高效率和小尺寸的特點(diǎn)使 Class D 功率放大器非常 適合用于高功率音頻系統(tǒng)。圖 1 是使用 Class D 功率放大器的典型音頻系統(tǒng)。音頻處理器將音頻信號(hào)傳送到功率放大器，同時(shí)它還可以控制功率放大器的啟動(dòng)和關(guān)閉。

圖1 Class D功率放大器系統(tǒng)

Class D 功率放大器輸出與輸入音頻信號(hào)相對(duì)應(yīng)的 脈沖，A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的脈沖由半橋開關(guān)產(chǎn)生。低通濾波器由電感和電容組成，為從這些高頻脈沖中解調(diào)出的音頻信號(hào)提供路徑，解調(diào)后的音頻信號(hào)通過揚(yáng)聲器，將電能轉(zhuǎn)換為聲能，然后被人的耳朵聽到。如果用戶在開始播放音樂或計(jì)劃停止音樂時(shí)總是聽到爆裂聲或點(diǎn)擊聲，這將是非常糟糕的體驗(yàn)。

圖2 Class D功率放大器原理圖

圖 2 是典型的 Class D 功率放大器原理圖。OP1 、 CAMP1 、驅(qū)動(dòng)器和功率級(jí) A 構(gòu)成單端功率放大器 A ， 同樣， OP2 、CAMP2 、驅(qū)動(dòng)器和功率級(jí) B 構(gòu)成另一個(gè) 單端功率放大器 B ，揚(yáng)聲器連接在功率放大器單端 A 和 單端 B 之間。OP1 和 OP2 根據(jù)輸入和反饋生成相應(yīng)的 誤差信號(hào)，誤差信號(hào)與比較器中的鋸齒波進(jìn)行比較，并觸發(fā)輸出響應(yīng)寬度脈沖，鋸齒波以固定的載波頻率運(yùn) 行，在每個(gè)載波周期內(nèi)，脈沖的占空比與誤差信號(hào)的幅度成正比，以上過程稱為小信號(hào)調(diào)制。調(diào)制脈沖是進(jìn)入 驅(qū)動(dòng)器設(shè)備的源邏輯信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)輸入邏輯脈沖打 開 / 關(guān)閉輸出功率級(jí)，以完成功率放大器的功率調(diào)制。 低通濾波器從功率脈沖中解調(diào)音頻信號(hào)，音頻信號(hào)施加 在 SPKP 和 SPKN 上。功率放大器可以通過靜音禁用調(diào) 制器和輸出開關(guān)級(jí)，這意味著在靜音階段不會(huì)有任何瞬 態(tài)階躍信號(hào)施加在揚(yáng)聲器上，當(dāng)然也不會(huì)有爆裂噪聲。 在音頻系統(tǒng)開機(jī)或關(guān)機(jī)期間，所有電源軌都是不穩(wěn)定的， 讓功率放大器在音頻系統(tǒng)開機(jī)或關(guān)機(jī)前保持靜音是避免 更大爆裂噪聲的必要措施。在電源軌供電穩(wěn)定后，音頻 系統(tǒng)將讓功率放大器從靜音變?yōu)槿∠o音并準(zhǔn)備播放音樂，不幸的是，如果功率放大器沒有設(shè)計(jì)抑制方法，用 戶在那時(shí)仍會(huì)聽到爆裂聲或點(diǎn)擊聲。

3 預(yù)補(bǔ)償方法

本章分析靜音爆裂噪聲的根本原因，然后演示如何 使用預(yù)補(bǔ)償方法來解決這個(gè)問題。

圖3 理想條件下波形圖

在音頻系統(tǒng)開機(jī)并完成初始設(shè)置后，功率放大器的 調(diào)制器和功率級(jí)應(yīng)啟用工作，我們稱這個(gè)過程為取消靜 音。圖 3 是顯示取消靜音過程的波形圖，假設(shè)所有條件 都是理想的。根據(jù)波形圖，我們可以得出以下方程：

因此，揚(yáng)聲器端子 SPKP 和 SPKN 之間的電壓水平 相同，沒有電壓偏差導(dǎo)致電流流入揚(yáng)聲器的線圈，當(dāng)然 也不會(huì)有點(diǎn)擊或爆裂噪聲。現(xiàn)在我們來看實(shí)際的模擬電 路：元件的公差、參考點(diǎn)的位置不同、驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間方 案差異、PCB 走線因素等。所有這些差異導(dǎo)致 A 點(diǎn)的 PWM 與 B 點(diǎn)的 PWM 不匹配，即使在相同的初始條件 下啟動(dòng)也是如此。圖 4 是功率放大器從靜音到取消靜音 時(shí)的實(shí)際波形。調(diào)制器開始工作并將占空比從小調(diào)節(jié)到 50%，這是功率放大器在啟動(dòng)階段的循環(huán)階段，PWM 的目標(biāo)是在功率放大器環(huán)路穩(wěn)定后保持輸出平均水平等 于 1/2VCC。

圖4 實(shí)際波形

SPKP 和 SPKN 是低通濾波器后的電壓水平。由于 A 點(diǎn)的輸出脈沖與 B 點(diǎn)的輸出脈沖不匹配，SPKP 將不 等于 SPKN，這會(huì)在揚(yáng)聲器端子之間產(chǎn)生容差電壓，并 驅(qū)動(dòng)電流流入線圈，從而產(chǎn)生點(diǎn)擊聲或爆裂聲。偏置電 壓幅度在環(huán)路穩(wěn)定后將保持一定值，我們稱這個(gè)偏移值 為功率放大器的直流偏置電壓，‘SPKN-SPKP’的波 形顯示了詳細(xì)結(jié)果。直流偏置電壓會(huì)在揚(yáng)聲器上造成功 率損耗，當(dāng)功率放大器靜音時(shí)也會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)擊聲或爆裂聲， 因?yàn)閾P(yáng)聲器端子之間的偏置電壓在從取消靜音到靜音時(shí) 會(huì)從直流偏置電壓變?yōu)?0 ，這種過渡會(huì)使電流流入揚(yáng)聲 器線圈，較大的直流偏置電壓在靜音時(shí)會(huì)導(dǎo)致更大的爆 裂噪聲。圖 5 總結(jié)了揚(yáng)聲器在不同播放控制階段的偏置 電壓。Vb 是稱為直流偏置電壓的偏移電壓。

圖5 應(yīng)用于揚(yáng)聲器的偏置電壓

預(yù)補(bǔ)償旨在減少輸出脈沖的不匹配并降低施加在揚(yáng) 聲器上的偏置電壓水平，最終減少從靜音到取消靜音或 從取消靜音到靜音時(shí)的爆裂噪聲。從圖 4 中我們知道， 功率放大器在 5-6 個(gè)周期調(diào)節(jié)后最終輸出 50% 占空比 的脈沖，此外，功率放大器的開關(guān)頻率超過 300 kHz， 而人類的聽覺范圍是 20 Hz-20 kHz，因此由 50% 占空 比脈沖產(chǎn)生的直流偏置電壓 Vb 是導(dǎo)致爆裂噪聲的主要能量源，SPKN-SPKP 從 0 到Vb 的躍變是點(diǎn)擊聲的根 本原因。減少Vb 將抑制爆裂噪聲。Vb 是在穩(wěn)定調(diào)制階 段的固定值，它是單端A 和單端B 之間的不平衡，因 此Vb 是調(diào)制器的校正參數(shù)。

圖6 預(yù)補(bǔ)償原理圖和波形圖

圖6預(yù)補(bǔ)償原理圖中，微調(diào)電阻Rc1和 Rc2 用于預(yù) 補(bǔ)償，微調(diào)電阻調(diào)整比較器上的直流電平并減少單端 A 和單端B 之間的調(diào)制不匹配。以下方程解釋了預(yù)補(bǔ)償?shù)?nbsp;工作原理。

1)Vcl=Vc2,SPKN-SPKP=Vb

方程1顯示了沒有預(yù)補(bǔ)償?shù)墓β史糯笃鳌Ｕ{(diào)整Rcl 和Rc2的值使以下方程成立。

2)Vcl-Vc2=Vb

然后

3)SPKP=SPKN

在預(yù)補(bǔ)償之前，Vb 可能為正或負(fù)。例如，SPKN> SPKP, 那么需要調(diào)整Vcl>Vc2 直到減去Vb 的值。

 實(shí) 驗(yàn)

圖7 爆裂噪聲測(cè)試平臺(tái)

 該平臺(tái)用于爆裂噪聲評(píng)估，V-Meter 可以 測(cè)量直流偏置電壓，Sound meter 可以測(cè)量來自揚(yáng)聲器 的爆裂噪聲的聲壓。靜音按鈕用于將功率放大器從靜音 切換到取消靜音或從取消靜音切換到靜音，Sound meter 的麥克風(fēng)傳感器與揚(yáng)聲器在同一條線上，Sound meter 將測(cè)量揚(yáng)聲器的聲壓級(jí)。該平臺(tái)設(shè)置在靜音室中，然后 分別進(jìn)行有預(yù)補(bǔ)償和無預(yù)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試，數(shù)據(jù)列在以下表格中。

測(cè)試結(jié)果表明，預(yù)補(bǔ)償可以減少直流偏置電壓，同時(shí)預(yù)補(bǔ)償方法可以在靜音到取消靜音的過渡過程中抑制爆裂噪聲。

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