D类数字音频放大器制造技术

本发明专利技术涉及一种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。本发明专利技术实现了能够达到高保真度、高效率、高功率性能指标的D类数字音频放大器。

Class D Digital Audio Amplifier

【技术实现步骤摘要】
D类数字音频放大器
本专利技术涉及一种D类数字音频放大器。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的技术方案是：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。在本专利技术一实施例中，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。在本专利技术一实施例中，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。在本专利技术一实施例中，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。在本专利技术一实施例中，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，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术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；本专利技术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，对本专利技术的技术方案进行具体说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种D类数字音频放大器，其特征在于，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。...

【技术特征摘要】
1.一种D类数字音频放大器，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的D类数字音频放大器，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的D类数字音频放大器，其特征在于，所述插值滤波器采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏榕山，王万金，林方俊，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35