数字音频功率放大电路的设计与研究

论文摘要

音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分,并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地,音频功放的需求日益增加,因此研究音频功率放大器具有非常重要的意义。传统的模拟音频功率放大器虽然具有很高的保真度,但是却存在功耗高、效率低等致命缺点。随着集成电路技术的发展,移动电话、数字媒体技术、平面电视、便携式数字产品等对音频功放提出了体积小,效率高的要求。数字D类音频功放凭借其高效率、低功耗的特点正逐渐取代传统的模拟音频功率放大器。本文设计的数字D类音频功放芯片通过引入通信领域的Σ-Δ调制技术,使D类功放可以不需要经过D/A转换就可以直接放大数字音源。论文首先对模拟功率放大器和数字功率放大器的进行了比较分析,并详细阐述了各种运放的工作原理,指出了数字功放相对于模拟功放的优势所在;紧接着研究了Σ-Δ调制技术,对Σ-Δ调制技术中所采用的关键技术进行了深入的研究分析,在此基础上得出了设计稳定的Σ-Δ调制系统的条件,从而设计出适用于数字功放的Σ-Δ调制器系统框图;文章最后在Cadence工作平台下对系统内部具体电路进行了设计,包括运算放大器电路、积分器电路、比较器电路、滤波器电路以及基准电压电路等,并对具体电路采用Hspice软件进行仿真分析。通过最后对整体电路的总体仿真结果可知,本文所设计的Σ-Δ调制的SFDR为72dB,对应的THD小于0.05%,基于Σ-Δ调制的D类功放系统稳定,性能良好,达到了理想的性能指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 数字音频功率放大器的研究背景与发展现状
• 1.1.1 数字音频功放与模拟音频功放的对比
• 1.1.2 数字音频功放及开关功率放大器的国内外现状
• 1.2 本文的主要工作及组织结构
• 1.3 本章小结
• 第二章 音频功率放大器及其设计
• 2.1 传统模拟功率放大器
• 2.1.1 A 类放大器
• 2.1.2 B 类放大器
• 2.1.3 AB 类放大器
• 2.2 数字（D 类）功率放大器
• 2.2.1 传统数字（D 类）功率放大器
• 2.2.2 基于数字信号处理的数字功率放大器
• 2.3 功放的设计
• 2.3.1 功放设计考虑的性能指标
• 2.3.2 功放实现的制约因素
• 2.3.3 功放的设计指标
• 2.3.4 功放的设计步骤
• 第三章 Σ-Δ调制的基本原理与分析
• 3.1 Σ-Δ调制器原理
• 3.1.1 增量调制原理
• 3.1.2 调制解调原理
• 3.1.3 Σ-Δ调制器的过采样技术
• 3.1.4 Σ-Δ调制器的噪声整形技术
• 3.1.5 二阶与高阶Σ-Δ调制
• 3.2 Σ-Δ调制的种类
• 3.3 Σ-Δ调制的稳定性分析
• 3.3.1 一比特量化器的非线性模型
• 3.3.2 Σ-Δ调制器的稳定性设计分析与考虑
• 第四章 基于Σ-Δ调制技术的D 类功放电路的系统设计
• 4.1 基于Σ-Δ调制技术的D 类功放系统结构
• 4.2 Σ-Δ调制系统设计
• 第五章 数字功放电路的设计与仿真
• 5.1 运算放大器的设计
• 5.2 积分器电路
• 5.3 比较器电路
• 5.4 巴特沃斯滤波器的电路实现与仿真
• 5.5 基准电压电路
• 5.6 基于Σ-Δ调制的数字功放总体电路仿真
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本论文的主要工作
• 6.2 下一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文