数字功率放大器的研究与设计

论文摘要

数字功率放大器,也称为D类音频功率放大器,是一种脉冲调制型放大器。它与传统的模拟音频功率放大器的主要差别在于功率晶体管的工作状态,即使用脉冲形式的信号来驱动高速的功率开关。数字功率放大器的输出功率晶体管工作在开关状态,理论上效率可以接近100%,因此数字功率放大器芯片被广泛地应用于手机、MP3、MP4、对讲机等以有限电源供电、小功率输出且主板空间有限的领域,是便携式电子产品中不可或缺的一部分。目前国内的数字功率放大器芯片大多依赖于进口,研究具有自主知识产权的数字功率放大器芯片具有广阔的市场前景和实用价值。本文设计了一款单片集成数字功率放大器芯片,主要应用在手机、对讲机等这些对音质要求相对不高的电子产品中。该数字功率放大器芯片使用了全差分脉冲宽度调制结构,实现了免滤波器设计。本文是基于0.5um CMOS工艺设计的,电源电压的变化范围是2.5V-5.5V;可以在5V电源电压下为8?/32?负载提供640mW/160mW的最大输出功率和高于90%的效率;在330mW/80mW的输出功率下,放大器总谐波失真小于0.1%;关断情况下的静态电流小于0.2uA;整个系统的静态功耗小于10mW。在文章结构上,本文主要包括调制方案设计、系统结构设计、电路设计与仿真等部分。论文首先从数字功率放大器的市场分析入手,着重研究应用于较小输出功率且主板空间有限的领域的数字功率放大器;针对典型数字功率放大器存在的弊端,提出了解决方案,设计出全差分脉冲宽度调制的调制器结构;根据系统结构,从分析数字功率放大器的效率入手,确定各子电路的性能指标要求,经过电路结构的选择和优化,最终完成运算放大器、三角波产生电路、比较器、输出级和基准源等电路模块的设计,并对上述子电路和整个系统进行仿真。仿真结果表明这个数字功率放大器具有效率高、功耗低以及谐波失真低的特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 课题的研究现状
• 1.3 课题的设计指标
• 1.4 课题的难点
• 1.5 论文的结构安排
• 1.6 本章小结
• 第二章 音频功率放大器的分类与主要性能参数
• 2.1 A 类音频功率放大器
• 2.2 B 类音频功率放大器
• 2.3 AB 类音频功率放大器
• 2.4 数字功率放大器
• 2.5 几种音频功率放大器的性能比较
• 2.6 音频功率放大器的主要性能参数
• 2.7 本章小结
• 第三章 数字功率放大器系统方案设计
• 3.1 数字功率放大器的典型系统结构
• 3.2 全差分闭环三态输出调制器结构的设计
• 3.2.1 全桥式输出级和死区控制电路
• 3.2.2 全差分的调制器结构
• 3.2.3 全局反馈技术
• 3.3 数字功率放大器的系统框架
• 3.4 本章小结
• 第四章 数字功率放大器电路设计及仿真
• 4.1 运算放大器电路
• 4.1.1 运算放大器性能指标的确定
• 4.1.2 运算放大器拓扑结构的选择
• 4.1.3 运算放大器电路的实现
• 4.1.4 运算放大器性能仿真及分析
• 4.2 三角波产生电路
• 4.2.1 三角波产生电路性能指标的确定
• 4.2.2 三角波产生电路的实现
• 4.2.3 三角波产生电路性能仿真及分析
• 4.3 比较器电路
• 4.3.1 比较器电路的性能指标的确定
• 4.3.2 比较器电路的实现
• 4.3.3 比较器电路性能仿真及分析
• 4.4 桥式输出级电路
• 4.4.1 数字功率放大器的效率
• 4.4.2 死区时间产生电路
• 4.4.3 功率驱动电路
• 4.5 基准电压源电路
• 4.5.1 基准电压源拓扑结构的选择
• 4.5.2 基准电压源电路的实现
• 4.5.3 基准电压源性能仿真及分析
• 4.6 输出滤波器电路
• 4.6.1 滤波器设计
• 4.6.2 无滤波器设计
• 4.7 保护电路设计
• 4.7.1 过流保护电路
• 4.7.2 过温保护电路
• 4.8 数字功率放大器总体性能仿真
• 4.9 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文