Class-D三角波发生器

三角波发生器是固定频率 PWM Class-D 放大器的核心信号源。其线性度、对称性和频率稳定性直接决定放大器的 THD 和 SNR 性能。本章覆盖三角波 vs 锯齿波的采样特性差异、基于电流镜的三角波发生电路、DC 伺服环路，以及斜坡缓冲器设计。来源：Class-D Audio Power Amplifier Design Ch4。

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1. 三角波 vs 锯齿波

1.1 采样特性对比

波形	每周期采样次数	等效采样率	带宽影响
三角波	2次（上升沿和下降沿各一次判决）	$2f_{sw}$	更高可用带宽
锯齿波	1次（仅一个斜坡边沿判决）	$f_{sw}$	可用带宽减半

三角波的双斜坡结构使调制器（误差放大器+比较器）在每个开关周期内做出两次 PWM 定时判决，等效采样率翻倍，从而拓展可用带宽。

1.2 自然采样

三角波和锯齿波产生的采样都属于自然采样（Natural Sampling）：PWM 边沿时刻由斜坡信号与误差放大器输出信号的瞬时交叉点决定。

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2. 调制器增益

PWM 比较器 + 功率开关级 + LC 滤波器的组合增益为：

$$A_{mod}=\frac{V_{supply-total}}{V_{RAMP,p-p}}$$

其中：

• $V_{supply-total}$ = 正负电源轨总电压（如 ±48V → 96V）
• $V_{RAMP,p-p}$ = 三角波峰峰值电压

该增益在音频频段（20Hz–20kHz）内基本平坦。三角波上的任何噪声、干扰或非线性都会被该增益放大，因此斜坡发生器的设计质量至关重要。

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3. 斜坡发生器设计目标

设计目标	原因
最小化噪声	最大化 SNR
最大化线性度	最小化 THD
最大化对称性（上升斜率 = 下降斜率）	最小化 THD
最大化拐点处的 dv/dt（尖锐转折）	最大化占空比范围
稳定 DC 电平	最大化占空比范围
最大化频率稳定性，最小化抖动	最低噪声，最佳 SNR
最大化峰峰值电压摆幅	最大化 SNR

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4. 参考设计电路详解

4.1 电路架构

参考设计的三角波发生器由电流源/电流沉镜像 + 电流切换/导引电路 + 定时电容 组成。

4.2 电流镜工作原理

• Q4（双 PNP）：Q4-1 + R54 建立参考电流 $I_{REF}$，镜像到 Q4-2，输出恒定源电流 $X\approx 4mA$
• Q6（双 NPN）：Q6-1 + R57 建立参考电流，经 R58/R57 ≈ 2:1 比例倍增，输出恒定沉电流 $2X\approx 8mA$

虽然 Q4 和 Q6 非厂家配对器件，但双封装内同一芯片上的晶体管匹配度足够此应用。

4.3 电流切换/导引机制

核心思想：利用二极管导引和 MOSFET 开关，使斜坡电容始终以恒定电流充放电，避免双极晶体管开关引入的延迟和存储时间失真。

半周期	Q10 状态	Q9 状态	D4	D5	$C_{RAMP}$ 电流	斜坡方向
RAMP_SW 正半周	ON（拉至 −7V）	OFF	导通	反偏	$8mA-4mA=4mA$（净放电）	下降
RAMP_SW 负半周	OFF	ON（拉至 +7V）	反偏	导通	$4mA$（充电）	上升

关键元件：

• 1N4148 信号二极管：低电容、低反向恢复时间 → 干净切换
• 晶振 U23：16MHz 精密时钟
• 分频器 U22：16MHz → 500kHz（50% 占空比）

4.4 斜坡幅度计算

$$C_{RAMP}=\frac{I_X\cdot dt}{dv}$$

其中：

• $I_X=4mA$（充电电流）
• $dt=T/2=1\mu s$（半周期）
• $dv=8V_{p-p}$（从 −4V 到 +4V）

$$C_{RAMP}=\frac{4mA\times 1\mu s}{8V}=500pF$$

参考设计中 $C_{RAMP}=C38\text{-}1+C38\text{-}2$（主电容 + 微调电容），分离设计便于精确调节峰峰值幅度。

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5. DC 伺服环路

5.1 问题

充放电电流若非精确 2:1 比例，将导致斜坡电压 DC 漂移，最终正/负峰值被削波。

5.2 解决方案

U18 配置为积分器，通过负反馈维持 $V_{RAMP}$ 的平均 DC 电平为 0V：

• R55 中的电流设计为比目标值 $X$ 高约 20%
• U18 通过 R60 和 Q16 分流多余电流，仅保留精确的 $X=4mA$
• $V_{RAMP}$ 正漂 → U18 输出负摆 → 分流更多 → $X$ 减小
• $V_{RAMP}$ 负漂 → U18 输出正摆 → 分流减少 → $X$ 增大

5.3 伺服带宽设计

低频极点由 C42 和 R63 设定：

$$f_{pole}=\frac{1}{2\pi \cdot R63\cdot C42}=1.59Hz$$

音频频段内伺服增益极低 → 不会干扰三角波信号的音频频率成分 → 不引入额外 THD。

5.4 启动时间

由于大滤波电容（C34–C37）和伺服的长时间常数，电路需要约 1 秒才能达到稳态。这是 Class-D辅助电路与UVLO 中需要开机延迟的原因之一。

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6. 斜坡缓冲器

6.1 为什么需要缓冲

$V_{RAMP}$ 由理想电流源驱动 → 高源阻抗。任何负载都会改变斜坡斜率 → 增益变化 / THD 增大。

6.2 缓冲器设计需求

规格	要求
电源电压	容纳 $V_{RAMP}$ 峰峰值 + 余量
带宽	>100MHz
输入阻抗	高，低偏置电流
功耗	低
失调电压	不苛刻（负反馈可校正输出 DC 偏移）

6.3 实现方案

• IC 方案：MAX4200（超高速、低噪声、低功耗 SOT23 缓冲器）
• 分立方案：如图 4.3 所示的分立缓冲电路

6.4 多通道系统中的串扰防护

在多通道设计中，共享三角波信号是串扰的关键传播路径：

• 比较器输入电路在切换瞬间可能产生阻抗变化 → $V_{RAMP}$ 上产生噪声 → 耦合到其他通道
• 解决方案：每个通道使用独立的电压缓冲器隔离
• 禁止过度滤波斜坡信号 → 会圆化拐点 → 电平相关增益变化 → THD 增大

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7. 合规电压设计

电流镜晶体管（Q4-2, Q6-2）需维持最小 $V_{CE}$（≥600mV），以避免在斜坡峰值时饱和：

• 饱和 → 电流增益 $\beta$ 下降 → 斜坡非线性 → THD 增大
• 使用 LTspice 仿真确定关键节点的电压工作极限

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参考文献

• Buono, R. (2017). Reduced crosstalk and matched output power class D audio amplifier. US Patent 9654069B2.
• Buono, R. & Fink, D. (2017). Reduced crosstalk class D audio amplifier. US Patent 9716478B2.
• Marco, T.P. (2009). A comprehensive study of Class-D amplifier technology. MS paper, Penn State.
• Maxim Integrated. (2017). MAX4200-MAX4205 datasheet.

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相关页面

• Class-D放大器概述与历史 — 系统架构与三角波在 PWM 中的角色
• Class-D比较器与PWM电路 — PWM 比较器与占空比限制
• Class-D反馈与补偿 — 调制器增益在反馈环路中的作用
• Class-D多通道设计 — 多通道串扰问题
• Class-D失真与噪声源 — 斜坡非线性对 THD 的影响