D級アンプのTHD+N

1kHzの正弦波入力時のスペクトル

D級アンプのTHD+Nをまとめておきます。

こちらの資料が参考になります。

デジタルオーディオ特性の基本 ~THD+N/ ダイナミックレンジ/ SN比/ 周波数特性~

フーリエ級数

全高調波歪

標本化定理

まず、自励式D級アンプの出力波形を考えます。

FETを利用した実際の無信号時のスイッチングノードの波形としては、角の丸い両耳つきのなまった方形波が出力されます。

このなまった方形波(無信号時に800kHzのスイッチング周波数, +-48V)をLCフィルターでfc=50kHz -40dB/decでカットオフ(DA変換)してスピーカーを駆動しています。

結果として、無信号時のLPF通過後の出力としては800kHzのリップル(+-220mv)が漏れてきます。

一方、PWMの制御回路のメインループとしては積分回路(AD変換、fc=42kHz, -20dB/dec, GB積11MHz)、差動増幅回路(GB積11MHz)、コンパレータ(プロパゲーションディレイ7ns程度)、ゲートドライバ(デットタイム 220ns程度)を利用して、無信号時にはZVSさせています。

自励式なので、入力は出力のなまった方形波の抵抗分圧(ゲイン(26dB)に比例)したものを標本化関数として、入力信号を積分回路でAD変換および積分制御(変調された三角波)することになります。

また、自励式の場合スイッチングノードの電圧をフィードバックすることでPSRRも向上しています。

積分回路以降の制御回路はユニティーゲインで、差動増幅回路(LPF通過後の出力電圧で比例制御)およびコンパレータ(電流検出アンプによるLPFのインダクタ電流による定電流制御)で必要な制御信号をフィードバックしています。

自励式のPWMの制御ループなので、スイッチングノードの方形波でサンプリングされた1ビットの電圧情報を積分した三角波をもとにコンパレータでスイッチング時間(デューティ比)を決定していることになります。

したがって、AB級アンプなどの信号増幅とは違って、制御回路および出力回路の波形忠実性はそれほど問題になりません。積分回路によって時間平均およびノイズシェーピングが行われるからです。PWMの精度を決定する積分直線性が最も重要になります。また、制御回路のオペアンプおよびスイッチングノードのFETのスルーレートも影響します。

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