一种基于混沌扩频调制技术的免滤波器D类音频放大器

摘要

本发明公开了一种基于混沌扩频调制技术的免滤波器D类音频放大器，主要由混沌扩频三角波生成器、比较器和全桥输出级电路组成。混沌扩频三角波生成器用于产生混沌扩频三角波信号，当音频信号发出时，比较器用于对音频信号和混沌扩频三角波信号的电压值进行比较，输出占空比变化的方波信号；该方波信号经过全桥输出级电路进行功率放大后输出至扬声器，并在扬声器上将方波信号还原出音频信号。本发明优点在于：在无需滤波器的条件下有效地抑制了D类放大器输出信号的电磁干扰；易于集成，节省芯片面积；保证了作为PWM载波的混沌扩频三角波的线性度不受调制信号(即混沌序列)的影响，因此不会影响输出音频信号的失真度。

说明书

技术领域

本发明涉及音频功放技术领域，具体地说，是指一种基于混沌扩频调制技术的免滤波器D类音频放大器。

背景技术

D类音频放大器因其输出级工作在开关状态而具有非常高的效率，所以被广泛应用于便携式设备中。然而，D类音频放大器输出的高频方波信号含有大量的谐波分量，其导致的电磁干扰(EMI)问题是目前电子系统设计的难题之一。传统的解决方法是采用LC滤波器来抑制传导型EMI，以及采用金属屏蔽来抑制辐射型EMI。这些解决方法的缺点在于增加了整个系统的体积和重量，既牺牲了便携性，又提高了成本。

与传统方法不同，新的解决方案着眼于EMI产生的根源，旨在通过改进调制方式来产生非固定周期的调制信号。这可以使调制输出信号在频域上将集中于载波频率及其谐波频率上的能量分散到更宽的频带上，以降低调制后输出的干扰信号的能量峰值。2004年，伪随机扩频技术已经被应用于D类音频放大器。但伪随机序列需通过复杂的数字电路产生，在与D类音频放大器单片集成时要考虑数模混合的问题。

发明内容

本发明为了解决免滤波器D类音频放大器输出信号的电磁干扰(EMI)问题，提出了一种基于混沌扩频调制技术的免滤波器D类音频放大器，所述的免滤波器D类音频放大器采用了混沌扩频调制技术，在传统的D类音频放大器基础上进行了改进，改进后的D类音频放大器结构中用混沌扩频三角波生成器代替了固定频率的三角波生成器，在抑制了D类放大器输出信号的电磁干扰同时，不影响其输出信号的失真度，达到了抑制EMI的效果。

本发明提供的基于混沌扩频调制技术的免滤波器D类音频放大器，主要由混沌扩频三角波生成器、比较器和全桥输出级电路组成。混沌扩频三角波生成器主要由混沌序列生成器与三角波频率调制电路组成。其中混沌序列生成器产生二进制混沌信号，该混沌信号通过三角波频率调制电路输出混沌扩频三角波。混沌信号具有宽带噪声的性质，与其他调制波形相比，以混沌信号作为调制波形可以使频谱能量更均匀地分布在扩展的频带内，更有效地降低谐波的峰值能量。

所述的混沌序列生成器的电路中使用恒流源对电容C₁充放电，由S-R锁存器的输出信号控制MOS管的开关状态，以控制电容充放电的时间。

所述的三角波频率调制电路中的恒流源、电容C₂与施密特触发器、反相器组成的振荡回路能够产生固定频率f的三角波形。

为了不影响三角波的线性度，在电路设计中增加对混沌序列的采样电路，由D触发器来实现。采样时钟，即D触发器的时钟输入为控制电容充、放电的时钟信号。这可以保证在电容充电和放电的过程中，已调的充放电电流大小保持不变，从而保证三角波的线性度不受调制信号的影响。采样后的混沌序列波形在三角波的每个周期内保持不变，只在一个周期结束时才发生变化。

与线性频率调制方式相比较，上述电路输出的三角波形具有更好的线性度，这直接关系到脉宽调制PWM的采样精度，并决定了输出音频信号的失真度。

本发明由外部输入音频信号，同时，由混沌扩频三角波生成器产生混沌扩频三角波信号。这两路信号分别连接比较器的两个输入端。然后，经过对两路信号的电压值进行比较，比较器输出占空比变化的方波信号。该方波信号经过全桥输出级进行功率放大后输出至扬声器，并在扬声器上还原出音频信号。

本发明的优点在于：

(1)通过混沌扩频方式，在无需滤波器的条件下有效地抑制了D类放大器输出信号的电磁干扰；

(2)混沌序列生成器电路中没有使用电感和电阻，易于集成，节省芯片面积；

(3)通过加入对混沌序列进行采样的采样电路，保证了作为PWM载波的混沌扩频三角波的线性度不受调制信号(即混沌序列)的影响，因此不会影响输出音频信号的失真度。

附图说明

图1是本发明的免滤波器D类音频放大器结构示意图；

图2是本发明中混沌扩频三角波生成器的结构框图；

图3是三角波频率调制电路原理图；

图4是混沌序列生成器原理图；

图5a是固定频率三角波时D类音频放大器输出信号的功率谱密度；

图5b是混沌扩频三角波时D类音频放大器输出信号的功率谱密度。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种基于混沌扩频调制技术的免滤波器D类音频放大器，如图1所示，所述的免滤波器D类音频放大器主要由混沌扩频三角波生成器1、第一比较器4和全桥输出级电路2组成。混沌扩频三角波生成器1用于产生混沌扩频三角波信号，当音频信号发出时，第一比较器4用于对音频信号和混沌扩频三角波信号的电压值进行比较，输出占空比变化的方波信号；该方波信号经过全桥输出级电路2进行功率放大后输出至扬声器3，并在扬声器3上将方波信号还原出音频信号。

全桥输出级电路2主要由MOS管M₁、M₂、M₃、M₄和第一反相器201组成。用来对第一比较器4输出的占空比变化的方波信号进行功率放大。

所述混沌扩频三角波生成器1主要由混沌序列生成器101与三角波频率调制电路102、组成，如图2所示，混沌序列生成器101产生二进制混沌信号，该混沌信号通过三角波频率调制电路102调制输出混沌扩频三角波信号。混沌信号具有宽带噪声的性质，与其他调制波形相比，以混沌信号作为调制波形可以使频谱能量更均匀地分布在扩展的频带内，更有效地降低谐波的峰值能量。

如图3所示，所述混沌序列生成器101包括MOS管M₅、M₆、S-R锁存器101-2、第二比较器101-1、恒流源I₁、I₂和电容C₁。其中恒流源I₁和I₂对电容C₁充放电，由S-R锁存器101-2的输出信号控制MOS管M₅、M₆的开关状态，以控制电容C₁充放电的时间。其中，S-R锁存器101-2的置位端S由一个1MHz的脉冲信号clk控制，当clk的上升沿到来时，S-R锁存器101-2输出为高电平，MOS管M₅截止，MOS管M₆开启，电容C₁开始处于放电状态；复位端R由第二比较器101-1输出控制，当第二比较器101-1输出电压由低电平变为高电平时，S-R锁存器101-2输出为低电平，则MOS管M₅开启，MOS管M₆截止，使电容C₁在放电至一定电压V_R时转为充电状态，混沌序列从S-R锁存器101-2的输出端Q处经节点a输入到三角波频率调制电路102中。

如图4所示的是三角波频率调制电路102原理图，所述的三角波频率调制电路102中包括MOS管M₇、M₈、M₉、M₁₀、恒流源I₃、I₄、I₅和I₆、电容C₂与施密特触发器102-1、D触发器102-2、第二反相器102-3，其中MOS管M₇、M₈、恒流源I₃和I₄、电容C₂与施密特触发器102-1、第二反相器102-3组成的振荡回路能够产生固定频率f的三角波形，由节点b处输出；D触发器102-2作为混沌序列的采样电路。混沌序列通过MOS管开关M₉和M₁₀控制恒流源I₅和I₆同时对电容C₂的充电电流i₃和放电电流i₄进行调制，从而实现了三角波频率在f与f+Δf之间的混沌变化。其中Δf为频率扩展范围，由恒流源I₃和I₄决定。

所述D触发器102-2的时钟输入端Q为控制电容C₂充放电的时钟信号。这可以保证在电容C₂充电和放电的过程中，已调的充放电电流大小保持不变，从而保证三角波的线性度不受调制信号的影响。采样后的混沌序列波形在三角波的每个周期内保持不变，只在一个周期结束时才发生变化。

此三角波将作为D类音频放大器中PWM的载波，把输入的模拟音频信号转换为占空比随音频信号幅度变化的方波信号，通过功率放大后输出。

如图5a，5b所示，分别为使用固定频率三角波时和使用混沌扩频三角波时的D类音频放大器输出信号的功率谱密度，可看出经过混沌扩频调制后的PWM输出信号的功率谱密度走势相对平缓，表明谐波分量上的能量已经被分散到周围的频带上。