D类音频功率放大器的设计

论文摘要

D类音频功率放大器与AB类音频功率放大器相比有效率高的显著优点。高效率会带来很多的好处,例如延长电池使用时间,发热低,这些优点使其在移动多媒体设备上具有广阔的发展前景。本文分析了各种类型的音频功率放大器的原理,比较了它们各自的优缺点,然后重点介绍D类功率放大器的工作原理。在与传统的调制方案对比基础上,研究了D类音频功率放大器无需输出滤波器的原理,并采用了无需虑波的调制方案,提出了本设计的整体电路结构。本文采用0.5umCMOS工艺,对功率放大器的各个模块:前置放大器,比较器,振荡器,驱动电路,基准电流源,电压反馈环路以及过热,过流,欠压,启动保护电路等进行了设计,并使用Cadence的Spectre进行了电路的仿真验证,使用Cadence的Virtuoso进行了版图的设计。为了实现无需滤波器的调制方案,系统采用了全差动的对称结构。电路中的运放采用双端输出,分别输出反相的两路音频信号,PWM调制器即比较器以及后续的驱动电路均由传统调制方案中的一个变为两个,分别处理两路反相音频信号。前置放大器通频带设计为音频频率范围,将输入信号的非音频成分滤除。为了提高系统电源抑制比,降低谐波失真,本文设计了电压反馈环。为了消除功率管的电流尖峰,在驱动级引入了死区时间,避免功率管由于大电流受到损害。经过对这些模块构成的系统进行模拟和调试,仿真结果表明,系统能正常工作,性能指标基本满足要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 D 类音频功率放大器的研究背景
• 1.2 D 类音频功率放大器的研究意义和现状
• 1.3 论文的主要工作
• 第二章 音频功率放大器的简介
• 2.1 声音的基本特性
• 2.2 功率放大器的种类
• 2.2.1 A 类功率放大器
• 2.2.2 B 类功率放大器
• 2.2.3 AB 类功率放大器
• 2.2.4 C 类功率放大器
• 2.2.5 D 类功率放大器
• 第三章 D 类音频功率放大器的原理
• 3.1 D 类音频功放的结构
• 3.2 D 类音频功放的原理
• 3.3 D 类音频功放的主要性能指标
• 3.3.1 效率
• 3.3.2 谐波失真THD
• 第四章 集成电路中的子电路
• 4.1 CMOS 倒相器
• 4.1.1 基本结构和基本特性
• 4.1.2 直流电压传输特性
• 4.1.3 电压噪声容限
• 4.1.4 倒向器的中点电压
• 4.2 CMOS 传输门
• 4.3 施密特触发器
• 4.4 RS 触发器
• 4.5 D 触发器
• 第五章 集成电路的设计
• 5.1 系统设计要求
• 5.2 系统的分析与设计
• 5.2.1 系统结构
• 5.2.2 系统电压增益
• 5.3 各电路模块设计
• 5.3.1 前置放大器
• 5.3.2 比较器
• 5.3.3 振荡器
• 5.3.4 基准电流源
• 5.3.5 Deglitch 电路
• 5.3.6 驱动电路
• 5.3.7 过热保护电路
• 5.3.8 欠压保护电路
• 5.3.9 过流保护电路
• 5.3.10 启动保护电路
• 5.3.11 H 桥
• 5.4 系统性能仿真
• 第六章 版图的设计
• 6.1 叉指晶体管
• 6.2 对称性
• 6.3 参考源的分布
• 6.4 保护环
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 攻读硕士期间取得的研究成果