预补偿方法以减少Class D功率放大器的爆裂噪声

 摘要

如今，Class D功率放大器在音频系统中被广泛使用。 然而，在放大器启动或关闭时，以及在静音 / 取消静音 切换期间，扬声器中经常会出现爆裂声或点击声。这些 噪音可能会被听到，并使用户感到不适。在音频系统中 静音功率放大器是避免在启动或关闭期间出现爆裂声的 有效方法。此外，音频系统有时播放音乐，有时停止播 放，这需要频繁地静音或取消静音放大器。因此，爆裂 声是频繁静音和取消静音控制的关键问题。本文讨论了 静音 / 取消静音过渡期间爆裂声的发生原因，并设计了 相应的方法来抑制这些噪音。

简介

高效率和小尺寸的特点使 Class D 功率放大器非常 适合用于高功率音频系统。图 1 是使用 Class D 功率放 大器的典型音频系统。音频处理器将音频信号传送到功 率放大器，同时它还可以控制功率放大器的启动和关闭。

图1 Class D功率放大器系统

Class D 功率放大器输出与输入音频信号相对应的 脉冲，A 点和 B 点的脉冲由半桥开关产生。低通滤波器 由电感和电容组成，为从这些高频脉冲中解调出的音频 信号提供路径，解调后的音频信号通过扬声器，将电能转换为声能，然后被人的耳朵听到。如果用户在开始播放音乐或计划停止音乐时总是听到爆裂声或点击声，这将是非常糟糕的体验。

图2 Class D功率放大器原理图

图 2 是典型的 Class D 功率放大器原理图。OP1 、 CAMP1 、驱动器和功率级 A 构成单端功率放大器 A ， 同样， OP2 、CAMP2 、驱动器和功率级 B 构成另一个 单端功率放大器 B ，扬声器连接在功率放大器单端 A 和 单端 B 之间。OP1 和 OP2 根据输入和反馈生成相应的 误差信号，误差信号与比较器中的锯齿波进行比较，并 触发输出响应宽度脉冲，锯齿波以固定的载波频率运 行，在每个载波周期内，脉冲的占空比与误差信号的幅 度成正比，以上过程称为小信号调制。调制脉冲是进入 驱动器设备的源逻辑信号，驱动器根据输入逻辑脉冲打 开 / 关闭输出功率级，以完成功率放大器的功率调制。 低通滤波器从功率脉冲中解调音频信号，音频信号施加 在 SPKP 和 SPKN 上。功率放大器可以通过静音禁用调 制器和输出开关级，这意味着在静音阶段不会有任何瞬 态阶跃信号施加在扬声器上，当然也不会有爆裂噪声。 在音频系统开机或关机期间，所有电源轨都是不稳定的， 让功率放大器在音频系统开机或关机前保持静音是避免 更大爆裂噪声的必要措施。在电源轨供电稳定后，音频 系统将让功率放大器从静音变为取消静音并准备播放音乐，不幸的是，如果功率放大器没有设计抑制方法，用 户在那时仍会听到爆裂声或点击声。

3 预补偿方法

本章分析静音爆裂噪声的根本原因，然后演示如何 使用预补偿方法来解决这个问题。

图3 理想条件下波形图

在音频系统开机并完成初始设置后，功率放大器的 调制器和功率级应启用工作，我们称这个过程为取消静 音。图 3 是显示取消静音过程的波形图，假设所有条件 都是理想的。根据波形图，我们可以得出以下方程：

因此，扬声器端子 SPKP 和 SPKN 之间的电压水平 相同，没有电压偏差导致电流流入扬声器的线圈，当然 也不会有点击或爆裂噪声。现在我们来看实际的模拟电 路：元件的公差、参考点的位置不同、驱动器的时间方 案差异、PCB 走线因素等。所有这些差异导致 A 点的 PWM 与 B 点的 PWM 不匹配，即使在相同的初始条件 下启动也是如此。图 4 是功率放大器从静音到取消静音 时的实际波形。调制器开始工作并将占空比从小调节到 50%，这是功率放大器在启动阶段的循环阶段，PWM 的目标是在功率放大器环路稳定后保持输出平均水平等 于 1/2VCC。

图4 实际波形

SPKP 和 SPKN 是低通滤波器后的电压水平。由于 A 点的输出脉冲与 B 点的输出脉冲不匹配，SPKP 将不 等于 SPKN，这会在扬声器端子之间产生容差电压，并 驱动电流流入线圈，从而产生点击声或爆裂声。偏置电 压幅度在环路稳定后将保持一定值，我们称这个偏移值 为功率放大器的直流偏置电压，‘SPKN-SPKP’的波 形显示了详细结果。直流偏置电压会在扬声器上造成功 率损耗，当功率放大器静音时也会产生点击声或爆裂声， 因为扬声器端子之间的偏置电压在从取消静音到静音时 会从直流偏置电压变为 0 ，这种过渡会使电流流入扬声 器线圈，较大的直流偏置电压在静音时会导致更大的爆 裂噪声。图 5 总结了扬声器在不同播放控制阶段的偏置 电压。Vb 是称为直流偏置电压的偏移电压。

图5 应用于扬声器的偏置电压

预补偿旨在减少输出脉冲的不匹配并降低施加在扬 声器上的偏置电压水平，最终减少从静音到取消静音或 从取消静音到静音时的爆裂噪声。从图 4 中我们知道， 功率放大器在 5-6 个周期调节后最终输出 50% 占空比 的脉冲，此外，功率放大器的开关频率超过 300 kHz， 而人类的听觉范围是 20 Hz-20 kHz，因此由 50% 占空 比脉冲产生的直流偏置电压 Vb 是导致爆裂噪声的主要能量源，SPKN-SPKP 从 0 到Vb 的跃变是点击声的根 本原因。减少Vb 将抑制爆裂噪声。Vb 是在稳定调制阶 段的固定值，它是单端A 和单端B 之间的不平衡，因 此Vb 是调制器的校正参数。

图6 预补偿原理图和波形图

图6预补偿原理图中，微调电阻Rc1和 Rc2 用于预 补偿，微调电阻调整比较器上的直流电平并减少单端 A 和单端B 之间的调制不匹配。以下方程解释了预补偿的 工作原理。

1)Vcl=Vc2,SPKN-SPKP=Vb

方程1显示了没有预补偿的功率放大器。调整Rcl 和Rc2的值使以下方程成立。

2)Vcl-Vc2=Vb

然后

3)SPKP=SPKN

在预补偿之前，Vb 可能为正或负。例如，SPKN> SPKP, 那么需要调整Vcl>Vc2 直到减去Vb 的值。

 实 验

图7 爆裂噪声测试平台

Figure 7 该平台用于爆裂噪声评估，V-Meter 可以 测量直流偏置电压，Sound meter 可以测量来自扬声器 的爆裂噪声的声压。静音按钮用于将功率放大器从静音 切换到取消静音或从取消静音切换到静音，Sound meter 的麦克风传感器与扬声器在同一条线上，Sound meter 将测量扬声器的声压级。该平台设置在静音室中，然后 分别进行有预补偿和无预补偿的测试，数据列在以下表格中。

测试结果表明，预补偿可以减少直流偏置电压，同时预补偿方法可以在静音到取消静音的过渡过程中抑制爆裂噪声。

参考文献：

[1]Glen M.Ballou Editor.Handbook for Sound Engineers

[2]Bob Metzler.Audio Measurement Handbook

[3]Jun Honda,IRS2093M Functional Description

[4]Jun Honda&Jonathan Adams,Class DAudio Amplifier Basics

[5]Walt Jung/ADI,Op Amp Applications Handbook