（电路与系统专业论文）一款基于∑△调制技术的高性能d类音频功率放大器的设计.pdf

摘要 音频功率放大器广泛应用在家庭影院、音响系统等设备中。人们在追求高保 真的同时，也希望功放有较大的输出功率和高效率。因此，设计一种高效率、高 保真的音频功放有很重要的现实意义。 论文基于西安电子科技大学的科研项目“高性能d 类音频功率放大器关键技 术的理论研究与集成设计 ，在研究了各类音频功率放大器及其效率和失真机理的 基础上，设计了一款基于一调制技术的高效率、高保真的d 类音频功率放大器 x d 2 9 0 2 。该设计所涉及的主要理论和技术在国内外尚属研究阶段，具有很大的发 展空间和应用前景。 论文首先从系统级角度对功率放大器进行了详细的阐述，介绍了目f j 常见的 各类功率放大器并且分析其各自的优缺点，然后着重介绍了d 类功放的工作原理 以及常见的调制方式，在此基础上提出了本文所研究的系统架构。该架构由积分 器、比较器、驱动输出线以及反馈网络组成，利用了连续时间一调制的噪声整 形特性降低了失真，并且通过恰当的设计实现环路自振荡，无需额外的振荡器， 节省了芯片面积。 基于新的系统架构，本文创新性地设计出芯片的核心电路。低噪声、大带宽 的o t a 保证了低t h d 的要求，可编程双向过流检测电路保障了芯片的安全工作， 故障控制中心电路实现了芯片的自启动功能。 整个电路基于o 6 1 t t mb c d 工艺设计，使用c a d e n c e 等e d a 软件完成子模块和 整体电路的前仿真验证。仿真结果表明，电路功能和性能指标均已达到设计要求。 关键词：音频功率放大器d 类一调制自振荡半桥输出 a bs t r a c t a u d i op o w e ra m p l i f i e ri sw i d e l yu s e di nh o m et h e a t e rs y s t e m s ，p o w e r e ds p e a k e r s y s t e m sa n ds oo n b e s i d e sh i g hf i d e l i t y , h i g hp o w e ra n dh i g he f f i c i e n c yb e c o m em o r e a n dm o r ei m p o r t a n tf o ra u d i op o w e r a m p l i f i e r s oi ti so fg r e a t l yp r a c t i c a li m p o r t a n c et o d e s i g na l la u d i op o w e ra m p l i f i e rw i t hh i g hf i d e l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y t h ep a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c t t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nk e yt e c h n i q u e sa n d i n t e g r a t e dd e s i g no fh i g hp e r f o r m a n c ec l a s sda u d i op o w e ra m p l i f i e r ，。a f t e ra d e t a i l e dr e s e a r c ho na l lk i n d so fc o m m o na u d i op o w e r a m p l i f i e r sa n dt h e i re f f i c i e n c y a n dd i s t o r t i o n ，a na u d i op o w e ra m p l i f i e rx d 2 9 0 2w i t hh i g hf i d e l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y i sd e s i g n e d f o rt h em a i nt h e o r ya n dt e c h n o l o g yi n v o l v e di nt h i sd e s i g na r es t i l li nt h e r e s e a r c hp h a s e ，t h e r ea r em a n y o p p o r t u n i t i e sf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n f i r s t l y , s y s t e m a t i ce x p a t i a t i o ni sm a d et ot h ea u d i op o w e ra m p l i f i e ri nt h es y s t e m v i e w , a n ds e v e r a lk i n d so fa u d i op o w e ra m p l i f i e r st o g e t h e rw i t ht h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r e i n t r o d u c e d ，t h e nt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dc o m m o nm o d u l a t i o nm e t h o d so fc l a s sd a u d i op o w e ra m p l i f i e ra r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，f i n a l l yt h es y s t e ms c h e m es t u d i e di nt h i s p a p e ri sp r o p o s e d t h es y s t e ms c h e m ec o n s i s t so fi n t e g r a t o r , c o m p a r a t o r , o u t p u ts t a g e a n df e e d b a c k t h ec o n t i n u o u s t i m es i g m a d e l t am o d u l a t i o n ( c t - s d m ) t e c h n i q u ew i t h n o i s e s h a p i n ge f f e c t i su t i l i z e di nt h i s d e s i g n as e l f - o s c i l l a t i n gm o d u l a t o rw h i c h o c c u p i e ss m a l l e rc h i pa r e ai so b t a i n e db a s e do nc t - s d m o nt h eb a s i so ft h i sn e w s y s t e ms c h e m e ，k e yc i r c u i t sa r ec r e a t i v e l yd e s i g n e di nt h i s p a p e r l o wn o i s ea n dw i d eb a n d w i d t ho t ac a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fl o wt h d p r o g r a m m a b l eb i d i r e c t i o n a lo v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i te n s u r e st h es a f e t yo ft h ec h i p p r o t e c t i o nc o n t r o lc i r c u i tc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fs e l f - r e s e t t h ew h o l ec i r c u i ti sd e s i g n e db a s e do nt h e0 6 “mb c d p r o c e s s t h es i m u l a t i o na n d v e r i f i c a t i o na r ec o m p l e t e db yt h ee d at o o l ss u c ha sc a d e n c ee t c a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ec i r c u i th a v em e ta l lt h e r e q u i r e m e n t s k e y w o r d ： a u d i op o w e r a m p l i f i e rc l a s sds i g m a d e l t am o d u l a t i o n s e l f - o s c i l l a t i n gh a l f - b r i d g e 西安电子科技大学 学位论文独创新( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：粼丝日期：坦! ：兰：j 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期i 日j 论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：盆丝刍垒 导师签名： 同期：坐! 兰：至： f l , 苴aj 2 0o i 第一章绪论 第一章绪论 音频功率放大器在家庭影院、音响系统、声唱机、伺服放大器等电子设备中 得到广泛应用。随着生活水平的提高，人们对音频功率放大器保真度的要求也越 来越高。并且随着国家能源战略的提出，人们在追求高保真的同时，也希望功放 有较高的效率。因此，设计一种高效率、高保真的音频功放有很重要的现实意义。 正是在这种背景下，本文利用d 类音频功率放大器的输出级功率管工作于开关状 态，导通电阻较小，可以达到高效率、低功耗的性能要求，设计了一款高保真、 高效率的音频功率放大器。 1 1d 类功放的发展现状和趋势 随着现代电子技术的不断发展，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。 特别是半导体技术的进步，使功率放大电路向模块化、小型化、集成化的方向不 断发展。功率放大器通常按照其工作状态可主要分为五类，即a 类、b 类、a b 类、 c 类、和d 类，另外还有e 类、f 类、g 类、h 类等，只是这几种类型应用较少。 前四类都属于线性放大器，对模拟音频输入信号直接进行线性放大，因此非线性 失真较小，但是效率却很低。d 类放大器名称是在1 9 5 8 年由泰勒提出的，当时它 的提出是为了应用于振荡电路。与a ，b ，a b 和c 类功率放大器相比，d 类功率 放大器的特点是：输出级m o s 管工作于开关状态。这也是其被称为“数字放大器” 的原因【2 1 。 d 类功放是一项意义深远的创新技术，具有广阔的发展f ；i 景，并对消费电子产 生了巨大的冲击作用。d 类功放在音频和非音频领域都具有广泛的应用，如d v d 接收机、a v 接收机、助听器、手机、等离子显示器、汽车音响、p c 机、p d a 、c d 耳机、收录机，以及专业音频设备等。 与其他功放相比，d 类功放在获得更高的效率同时还可以降低芯片尺寸i 引，所 以在便携式音频设备中有着重要的地位。d 类音频放大电路损耗小，体积相对比较 小，大部分情况下不需要散热片或者仅需要很少面积的散热片，大大减小了设备 的整体体积。目前市场上有1 0 0 多款d 类音频i c ，在对体积、效率、散热敏感的设 备中，如手机、便携式音视频播放机、平板电视、背投电视、汽车音响、小型整 合式家庭影院、电脑多媒体音箱等，d 类音频功率放大器具有潜在的应用价值【4 】。 市场调研公司g a r t n e r 表示，全球d 类音频放大器市场销售收入将从2 0 0 6 年 的3 3 4 亿美元增长到2 0 11 年的6 8 8 亿美元，年复合增长率( c a g r ) 达到1 5 6 。 目前平板电视领域d 类音频放大器的年销售收入已经超过了2 亿美元，而且虽然 一款基丁一调制技术的高性能d 类音频功率放人器的设计 单价不断下降，但销售收入仍将在2 0 1 1 年增长至3 5 9 亿美元，年复合增长率达到 1 4 7 。家庭影院系统和立体声收音机所用d 类音频放大器增长会更快，将从2 0 0 6 年的2 1 0 0 万美元增长到2 0 1 1 年的9 5 0 0 ) j - 美元，年复合增长率高达3 4 6 。这样 的增长率将会吸引更多的初创公司和投资者。 d 类放大器在过去的几代产品中已经得到了巨大的发展，系统设计者极大地改 善了系统的耐用性并提高了其音频质量。然而，与传统的a b 类放大器相比，它们 本身也存在固有的成本、性能和e m i 方面的问题，目前已经出现较多改进这些问题 的新技术i5 。比如，利用扩展频谱调制技术在不改变原始音频内容的前提下，用于 在更大的带宽内扩展丌关p w m 信号的频谱能量，可以降低系统的e m i ；基于一 调制技术的调制器采用可以降低调制误差的内部反馈，通过减小采样误差改善输 出失真，从而获得更好的音质；采用半桥放大拓扑结构，以达到降低复杂性和减 少物料成本的目的；提供供电抑制反馈电路来进行降噪。这些新技术的出现都将 极大的改善d 类音频功率放大器的性能，从而使d 类功放的应用越来越普及。 音响产品的数字化是必然趋势。数字功放有很多优点，如体积小、功率大、 效率高、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰、实现高保真等等。 在数字音源己经大量普及的时代，随着新的设计技术的出现，d 类功放失真大的问 题也将解决，数字功放最终将会取代现有的模拟功放。 目前，国际上几家大公司早在2 1 世纪初就推出了自己的d 类音频功率放大器 系列产品，如t i 的t p a 系列，以及m a x i m 的9 7 系列。国内d 类功率放大器做 得比较好的是a p e x o n e 的a 7 0 系列，但与上述两家公司相比，其产品在性能上还 有较大差距。 1 2 课题的目的及意义 在音频功率放大电路的设计中，效率和非线性失真( t h d ) 之间存在矛盾，并且 由于输出功率较大，需要良好的系统故障保护功能。本课题重点从以下几个方面 对功率放大器进行改进： 1 ) 高效率。采用d 类放大的架构，选用导通电阻较小的输出级功率管以及优 化电路减小静态功耗可以达到较高的输出效率。 2 ) 低t h d 。采用具有噪声整形特性的一调制技术以及设计具有较高抗噪 声能力的电路可以降低功放的t h d 失真。 3 ) 功率管保护。由于输出功率大，输出缴功率管流过的电流大，所以需要精 确、快速的过流保护电路。利用功率管的导通阻抗作为负载电流检测元件， 不但提高了过流保护的精度，而且简化了电路。 本课题的目标是设计一款高性能并且具有保护功能的d 类音频功率放大器。 第一章绪论 通过采用最新设计技术，精心优化设计电路，在保真度和效率之问进行折衷，实 现高保真和高效率的设计指标。 1 3 论文的主要工作及章节安排 本论文是基于西安电子科技大学的科研项目“高性能d 类音频功率放大器关 键技术的理论研究与集成设计”，在研究了各类音频功率放大器及其效率和失真 机理基础上，设计了一款基于一调制技术的高效率、高保真的d 类音频功率放 大器。 论文中详细介绍了该芯片的调制方式、拓扑结构、工作原理及核心子模块电 路设计。该芯片基于0 6 1 a mb c d 工艺，在c a d e n c e 平台下对所设计的电路进行了 仿真验证。仿真结果表明该芯片具有良好的性能，满足设计要求，可以满足大多 数高性能音频设备的需要。 论文共分为五章。第一章是绪论；第二章介绍了音频功放的分类及d 类功放 的基本工作原理；第三章介绍了d 类功放的主要设计技术和工艺；第四章详细介 绍了x d 2 9 0 2 中核心子模块的功能定义、电路实现及仿真结果；第五章是芯片整 体仿真和验证；最后是结束语。 第二章音频功率放人器的基本i ：作原理 第二章音频功率放大器的基本工作原理 本章首先介绍了常见的几种功率放大器的特点和区别并重点介绍d 类功放的 原理，接下来给出音频功放的主要技术指标，然后介绍d 类放大器主要调制方式 并重点分析了一调制技术，最后对d 类放大器的输出级进行分析与设计。 2 1 功率放大器的分类 音频功率放大器【6 】通常分为传统模拟音频功率放大器和数字音频功率放大器 两大类。长期以来，线性放大器一直在音频领域占主导地位，但是随着便携式消 费类产品对小体积、低功耗的需求增加，设计工程师开始寻求替代传统线性放大 器的高效元件。d 类音频功率放大器恰好在效率和失真之间提供了适当的平衡， 可以满足便携式音频设备的效率和音效要求。 为了理解d 类音频功率放大器相比线性放大器的优点，需对每种类型的特点 加以比较。首先观察各种类型放大器的输出级。音频放大器的典型分类均基于其 输出级，即使具有相同的输入级和增益级，不同输出级的放大器也有不同的特性 和效率。 现有的输出级a 、b 、a b 、c 类和d 类结构中，d 类功率放大器的效率最高。 a 、b 、c 类和a b 类线性放大器输出级都需要提供不小的偏置电流，d 类放大器 不需要偏置电流，输出级由工作于开关状态的功率管组成，所以具有较高的效率。 但d 类音频放大器会产生较大的噪声和失真。 2 1 1a 类功率放大器 对于a 类放大器【1 ”，偏置电流i o 大于输入电流，直流工作点q 在负载线中心， 晶体管一直处于导通状态。因此，导通角为3 6 0 0 ，如图2 1 所示。 v 图2 1a 类放人器典型的1 ：作方式图2 2 典型a 类放人器 一款基丁一调制技术的高性能d 类音频功率放人器的设计 图2 2 给出a 类放大器的典型电路，假设输出信号为y 。s i n c o t ，负载为r l ， 那么负载的平均功耗p l 为 p 1 2 瓦vp (2-1) 1 ，2 电源供给的总平均功率为p s ，其中p s + 和p s 分别为j 下负电源提供的功率，i c o 为输出级静态工作电流，则 只+ = 只一= _ r ；r ( 厶u + 卺s i n 纠卜 = 圪r 厶u c 2 2 ， 只= 只+ + b 一= 2 k 。i ( 2 - 3 ) 效率1 1 为 = 每= 熹x 1 0 0 = 1 1 0 0 ri 1 4 ( 去r 圳。 陋4 ， = 二上= 二l 二l 二竺一l i 二上l 1 0 0 ( 2 4 ) b4 圪y i ，( y ， 八k y 、 最大效率发生在= k 。且咋= ，“，r 。时，其最大效率为2 5 。 a 类放大器较低的效率使得大部分能量都耗费在放大器本身上，释放很大的 热量，这就需要装配又厚又高的散热片帮助散热，不利于系统小型化。虽然a 类 的能量利用率差，但信号失真小，所以依然用在高档专业音响设备中f 8 1 。 2 1 2b 类功率放大器 如图2 3 所示，b 类放大器【9 i 只在信号的半个周期内导通，因此导通角为1 8 0 0 。 图2 4 ( a ) 给出推挽输出b 类功率放大器，晶体管q n 在信号的正半周期内导通，q p 在负半周期导通，两个晶体管不同时导通。但是由于晶体管阈值电压的存在，会 有两个晶体管同时关断的情况出现，这时输出信号就会出现交越失真，如图2 4 ( b ) 所示。 ij i， 、， v 图2 3b 类放人器典型的i ：作方式 假设输入信号为f 弦波并且忽略交越失真，输出信号为v ps i n m t ， 那么负载的平均功率为 v 2 尸，= 二l “ 2 r ， 负载为r l ， ( 2 - 5 ) 第二章音频功率放人器的基本l ：作原理 流为二l 。每个电源提供的平均功率为 刀k ， 耻耻叫老) 亿6 ， 纠 亿7 ， 堕 驴= 饥。2 i r 习t 2 老 ( 2 - 8 ) v l 1 。 rimik 爿ti ii i h：， u 一1 交趔火真 ( a ) 推挽输出b 类放人器( b ) 交越火真示意图 图2 4b 类放人器拓扑结构与交越火真示意图 当= 屹。时，得到最大效率万4 ，约为7 8 5 。b 类功放的最大效率明显大 于a 类，但是由于晶体管的偏置电流为零，会出现交越失真，并且输入信号越小， 交越失真越大。为了改进这一缺陷，出现了a b 类功放。 2 1 3a b 类功率放大器 a b 类( 甲乙类) 放大器【l0 1 ，实际上是a 类和b 类的结合。每个功率管的导 通时间在5 0 1 0 0 之间，即晶体管的导通角大于1 8 0 0 而小于3 6 0 。，如图2 5 所 示。a b 类电路如图2 6 所示，大部分时间只有一个晶体管导通，只有在零点交越 处才会出现两个晶体管都导通的情况。a b 类功放通过在每个输出晶体管上增加一 8 一款基丁一调制技术的高性能d 类音频功率放人器的设计 个小的静态偏置消除了交越失真。 因为在零输入情况下，a b 类功放仍然存在静态电流，所以其效率要低于b 类。 不过由于其静态偏置较小，所以a b 类功放和b 类的效率差距不大，这也是a b 类功放得到较广泛应用的原因。 图2 5a b 类放人器典型的一t ：作方式图2 6 a b 类电路 2 1 4c 类功率放大器 o 图2 7c 类放人器典型的i ：作方式 过偏置点稍许，管子才导通， 多用于高频功放作为倍频用， 2 1 5d 类功率放大器 = 常数 效率更高，但是由于失真过大， 或用于射频放大【l i 】。 c 类( 丙类) 放 大器，是指器件导 通时间小于5 0 的 工作类别。c 类放 大器的典型工作状 态如图2 7 所示。c 类放大器是把静态 工作点q 偏置在截 止点之下，当有信 号输入时，只有超 很难用于音频功放， 图2 8 给出d 类功放的基本工作方式i l2 j ：输入模拟音频信号通过调制器被调 制成高低变换的丌关信号，这也是d 类功放被称为“数字放大器”的原因。通常 情况下，输入信号的瞬时值被“编码”为方波脉冲的宽度，最终调制产生一系列 脉冲宽度不同的方波信号，l c 滤波器作为解调器把原始音频信号从方波信号中恢 复出来，得到放大后的音频输入信号。 很明显，d 类功率放大器是在效率和保真度相互折衷的基础上构建的。通常d 第二章音频功率放人器的基本i ：作原理 类功放的输出级由一对c m o s 功率管组成，提供用于驱动扬声器负载的大电流。 与a b 类放大器不同的是，这对功率管不是工作在饱和区，而是工作在截止区或者 线性区，因此可以得到较高的效率，理论值可达1 0 0 1 引。实际上输出级晶体管导 通时会消耗一部分能量。图2 9 给出d 类放大器输出级的等效电路，r o 。( r o p ) 为功 率管的导通阻抗，艮。( r o p ) 越小，输出级的功耗越小，相应的放大器的效率越高。 图2 8d 类放人器原理图 v c c - v c c 图2 9d 类放人器输出级等效电路 2 2 音频功率放大器的性台匕七3 i 匕- t 标 2 2 1 效率 效率【1 4 】定义为 ，7 = 等1 0 0 ( 2 - 9 ) 1s 其中，p l 为传递到负载的平均功率，p s 为电源提供的总功率。平均功率可以表示 为 只，= 吾r 即) d r ( 2 - 1 0 ) 2 2 2 总谐波失真加噪声( t h d + n ) 失真是指对于某电路模块其输入信号与输出信号在幅度、相位及波形形状上 产生变化的现象。按性质分，有非线性失真和线性失真，通常用谐波失真末表示 非线性失真( n o n l i n e a rd i s t o r t i o n ) 的程度。谐波失真是指信号经过电路中非线性元 件产生的新的频率分量( 谐波) 对原信号形成的干扰，即波形发生的畸变。总谐 波失真( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 是指用信号源输入时，输出信号( 谐波及其倍频 成分) 比输入信号多出的额外谐波成分( 通常用来表示) 。般说来，1 k h z 频 率处的总谐波失真作为大部分产品的失真指标，该值越小越好。 噪声发生是一个随机过程，它的大小在任何时候都不能被预测。但在很多情 l o 一款基丁一调制技术的高性能d 类音频功率放人器的设计 况下，噪声的平均功率还是可以被预测的。通常需要把几个主要噪声源的影响相 加来获得总噪声，得到关注的平均噪声功率。 在实际测试数据或各类标准中，通常用t h d + n ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n + n o i s e ) 作为衡量保真度的评价指标，指标中“+ n ”表示在考虑保真度的同时也对噪 声进行了考虑【5 l 。 2 2 3 电源抑制l 匕( p s r r l 电源抑制仁t , ( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) 是指音频放大器的输入测量电源电 压的偏差耦合到一个模拟电路输出信号的比值。p s r r 反映了音频功率放大器对电 源的纹波大小的要求，p s r r 值越大，音频放大器输出音质就越好。 2 2 4 最大输出功率( p o c m ) 输出功率反映音频功率放大器的带载能力，通常音频放大器厂家会提供产品 在定工作电压和额定负载下的最大输出功率。芯片的效率在不同的条件下肯定 也不相同。 2 3d 类放大器的调制方式 通过前面的分析，已经了解了d 类功放的工作原理，并且可以看出调制器在 整个d 类功放设计中起着举足轻重的地位。下面着重介绍业界研究较多的三种调 制方式【1 6 l ：p w m 调制、b a n g b a n g 调制、一调制。 2 3 1p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 调制 图2 1 0p w m 调制原理图 p w m 调制器【1 7 1 1 8 】根据音频信 号幅度大小把输入音频信号调制为 脉冲宽度不同的高频方波信号。在 标准d 类功放中，p w m 信号由比 较器产生。图2 1 0 给出了典型的 p w m 调制原理图，输入音频信号 与基准信号高频三角波进行比较， 从而把输入音频信号的幅度信息调 制到高频载波上，最终得到一系列 脉冲宽度不同的方波信号。图2 1 l 给出调制前后的波形，输入音频信 号由正弦波表示，当音频信号的幅 度大于基准三角波信号的幅度时， 比较器输出高电平，反之，当音频 信号幅度小于基准三角波幅度时，比较器输出低电平。由以上分析可以看出，要 第二章音频功率放人器的基本f ：作原理 实现p w m 调制，三角载波信号幅度要大于输入音频信号幅度，频率也要远大于音 频信号以实现精确采样，并且三角载波频率越高，采样精度就越高。由于开关频 率的增加会增大开关功耗，所以考虑到精度与效率的折衷，通常开关频率为 2 5 0 k h z 。 p w m 调制之所以具有吸引力是因为它在几百k h z 的载波频率下可以达到1 0 0 d b 甚至更高的s n r ( 信噪比) 。许多p w m 调制器在1 0 0 调制系数下也是稳定的， 理论上允许较高的输出功率。但是，p w m 存在几个问题：首先，p w m 调制在实 际电路中会增加固有的失真；其次，由于调制器采用固定频率载波，因此将产生 基载波的多次谐波辐射，大量的e m i 会对其它电路产生干扰；最后，p w m 脉宽 在全调制附近非常小，这在大多数开关输出级驱动电路中会引起问题，因为它们 的驱动能力受到限制，不能产生几纳秒( n s ) 短脉宽所需要的开关速度。因此，在基 于p w m 的放大器中达不到全调制，可达到的最大输出功率要小于理论上的最大 值。 输入 频信 调制 图2 1 lp w m 调制波形 2 3 2b a n g b a n g 调制 b a n g b a n g 调制器【1 9 】【2 0 】的核心实际上是一个迟滞比较器。首先利用期望输出 与测量输出两者之差来计算得到误差，当该误差超过某一迟滞带时，迟滞比较器 就会改变输出状态以推动误差回到j 下常范围内，图2 1 2 给出该调制方案的系统框 图。 v 图2 1 2b a n g - b a n g 调制器系统框图 该调制方案相对p w m 调制，需要更高的丌关频率，而且电路复杂度较高，功 1 2 一款基丁一凋制技术的高性能d 类音频功率放人器的设计 耗也较大，不过在高性能功放中也得到一定的应用。 2 3 3 一调制 一调制器【2 l 】【2 2 】【2 3 l 【2 4 】也叫做一调制器，最早源于调制器。1 9 4 6 年d e l o r i a n e 等人提出调制，以减少信源编码长度，随后c u l t e r 于1 9 5 4 年首先提出噪 声整形( n o i s es h a p i n g ) l 拘概念。1 9 6 2 年，i n o s e 等人为了改进调制器的过载电压 幅度随信号频率下降的特性提出了一调制器，较好地阐明了噪声整形和过采样 ( o v e r s a m p l i n g ) 的概念。进入8 0 年代以来，由于v l s i 工艺的极大发展和数字化音 频产品的广大市场对高分辨率a d c 、d a c 需求的剧增，出现了一股持续研究利用 过采样一调制技术实现a d c 和d a c 的热潮2 5 】【2 6 】【2 7 】。实际上，这是一种结合 过采样、噪声整形和数字滤波，以电路速度有效换取分辨率的技术。 图2 1 3 一阶一调制器系统框图 图2 1 3 给出一个基本的一阶一调制器系统框图【2 引，正向路径上是一个积分 器和一个1 位a d c ，反馈路径是一个l 位d a c ，整个电路是一个单反馈的坏路系 统。图中变量均以时间t 表示，k 为整数。1 位a d c 仅仅是一个比较器或叫做量 化器，用于将模拟信号转换为高低电平的数字信号。1 位d a c 根据比较器的输出 决定是v r e f 还是v r e f 与输入相加。 由图2 1 3 可以看出，积分器的输出u ( k t ) 可以表示为 u ( k t ) = x ( k t 一丁) 一q ( k t 一丁) + u ( k t 一丁)( 2 1 1 ) 式中，x ( k t t ) 一q ( k t t ) 等于积分器的上周期输入，u ( k t t ) 为积分器的 上周期输出。l 位a d c 的量化误差定义为输出和输入之差： o 。( 足7 1 ) 2y ( k t ) 一u ( k t ) f 2 1 2 ) 那么，输出y ( k t ) 茭j y ( k t ) = q ( 七丁) + x ( 灯一丁) 一q ( k t 一丁) + u ( k t 一丁) 3 ) 一个理想的1 位d a c 具有以下特性：若输入y ( k t ) = 0 ，则输出q ( k t ) = 一v r e f ； 若输入y ( k t ) = l ，则输出q ( k t ) = v r e f 。事实上，l 位d a c 是由一对将v r e f 或v r e f 与公共端连接的丌关构成，故可以认为d a c 是理想的。因此，有 第二章音频功率放人器的基本厂作原理 y ( k t ) = q ( k t ) ( 2 1 4 ) 结合式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) ，可将式( 2 1 4 ) 表示为 y ( k t ) = x ( k t - 丁) + q ( 七r ) 一q ( 尼t 一丁) ( 2 1 5 ) 由上式可知，调制器的输出是延迟一个采样周期的输入信号加上前后两个周 期量化误差的差值。这样，在的实际功率中，消除了量化噪声的一阶量。 l 舅一： 反馈网络 图2 1 4 一阶一调制器频域模型 ) u t i 。 h 鬲l | | 刊l 7 图2 1 5 一阶一调制器j 频翠响厩 一阶一调制器频域模型如图2 1 4 所示，将1 位a d c 模型化为一个简单的 误差源q ( s ) ，d a c 设为理想的，即y ( s ) 等于q ( s ) 。假设输入信号带宽远小于调制 器带宽。根据反馈理论，v o u t ( 5 ) 为 i p ，) u t ( j ) = q 。( s ) + 三卜肼( s ) 一，州盯( s ) 】 ( 2 1 6 ) 解得1 j 0 1 1 7 ( s ) 为 w = 啪) 刍w 加) 击 ( 2 - 1 7 ) 由式( 2 1 7 ) 可以看出，v ，到v 的传输函数类似于低通滤波器特性，量化 1 4 一款基丁一调制技术的高性能d 类音频功率放人器的改计 噪声的转换函数类似于高通滤波器的特性，如图2 1 5 所示。由图可以看出，与信 号相关的区域，噪声很小而信号增益很大；在信号带宽以外的高频区域，噪声增 加。调制器基本上把噪声功率推到信号带宽以外。这种特性就是著名的“噪声整 形”( n o i s es h a p i n g ) 特性。这也是一调制技术得到广泛应用的重要原因之一。 由前面的讨论可知，一调制的输出为脉冲密度调制( p d m ) 信号。一调制 中的大量高频能量分布在很宽的频率范围内，而不是像p w m 调制那样集中在载波 频率的倍频处，因而一调制的e m i 要小于p w m 调制。 前面以一阶一调制为例，详细讨论了一调制的原理与特性。实际上， 更多应用的是高阶的一调制。理论上，通过增加积分器就可以构成高阶的一 调制器，这罩就不再详细讨论。高阶一调制能够提供更大的噪声整形，并且随 着一调制阶数的增加，分辨率和动态范围性能都得到较大的提升。 通常对一调制的分析都是在离散时l 、日j ( d t ) 域进行，相应的产品也主要是由 开关电容或者丌关电流电路设计而成，叫做离散时间一调带j ( d t - s d m ) 。但是近 年来丌始出现利用连续时间电路构造一调制器中的环路滤波器【2 9 1 ，即连续时间 一调带i ( c t - s d m ) 技术。c t - s d m 与d t - s d m 的区别在于积分器的设计是使用 连续时间积分器还是离散时间积分器，若积分器由开关电容等离散时间电路构成， 那么该调制器就是d t - s d m ，反之，若积分器由连续时间电路构成，那么该调制 器就是c t - s d m 。由于d t - s d m 中的丌关电容积分器需要较长的建立时i 日j ，所以 在高速应用中常采用c t - s d m ，因为c t - s d m 可以工作在更高的开关频率下，而 且在给定过采样比率( o s r ) 的条件下，转换带宽会显著增大。用c t - s d m 技术代替 d t - s d m 的另外一个重要原因是出于对噪声的考虑，因为对于丌关电容积分器来 说，噪声主要由采样时输入电容上的热噪声决定，而这个值与输入电容c 直接相 关，为k t c 。所以为了减小环路中的采样噪声，就要增大输入电容c ，在高精度 电路中这个值常常要达到几百皮法的量级。这么大的输入电容势必会引入较大的 非线性失真，而连续时i 日j 积分器不需要采样，也就不会产生上述的误差。 由以上分析可以看出，调制技术由于具有噪声整形特性，并且脉冲密度 调制使输出信号能量分布在很宽的频带范围内，所以在采样精度和抗e m i 方面具 有比p w m 调制更好的性能。而连续时间一a 调制技术更适用于在高速、高精度 中应用，所以目前国际学术界对连续时问一调制技术的研究应用也越来越深入 广泛【3 0 】| 3 i l ，基于该技术的产品研发也越来越多。本文f 是基于连续时间一a 调制 技术设计一款高性能d 类音频功率放大器。 2 4d 类功率放大器输出级与效率 d 类功放的输出级通常使用两种架构，一种如图2 1 6 所示的半桥式( h a l f 第二章音频功率放人器的基本r 作原理 b r i d g e ) ，另一种是图2 1 7 所示的全桥式( f u l lb r i d g e ) 。在相同的输入电压下，全桥 式的最大输出电压摆幅为半桥式的两倍，而且全桥式的总谐波失真较小，线性度 较高，能消除直流失调。但是全桥式的电路复杂度更高，功耗较大，所以本文选 用半桥输出级。 对于功率放大器来说，效率主要由输出级决定。d 类功率放大器输出级的晶 体管工作在开关状态，导通电阻较小，所以可以达到较高的效率。通常情况下，d 类放大器的效率均在8 5 以上。下面以半桥输出级为例讨论一下d 类放大器的效 率。 假设输出级功率管的导通电阻为民。，滤波器电阻为r f ，负载电阻r l ，i 。为 输出电流。则忽略开关损耗时的效率为 p 72“l 驴薏2 刁币o u 厕t 1 l ( 2 - 1 8 ) 理想情况下，除了负载电阻以外其它元件的电阻都为零，所以效率为1 0 0 。 实际上，功率管导通时会有一定的压降，滤波电感的寄生电阻也不为零，正是这 些电阻限制了d 类放大器的效率。比如在4 f 2 负载条件下，要在l o o w 输出功率 时达到9 6 的效率，根据式( 2 1 8 ) 可得心。和r f 之和要小于1 6 7 m q ，这个值越 小，放大器的效率越高。在现代工艺中，输出级功率管基本上都是由功率m o s 管 实现，而工作于线性区的m o s 管的导通电阻和其宽长比成反比，要满足这么小的 导通电阻的要求，输出级功率管常常需要上万个晶体管并联实现。晶体管的导通 电阻常常作为选择输出级晶体管的重要指标。 扬 + 尸口 器 图2 1 6 半桥输出级图2 1 7 全桥输出级 另外，在现代d 类放大器设计中，为提高采样精度常常利用过采样技术，放 大器要工作在几百k h z 的丌关频率下，这时的开关损耗大大增加，严重影响到效 率。设功率管的栅极电容为c 。，栅极驱动信号电平v g ，丌关频率为，那么开关 损耗可以表示为 r = ，嘭c 譬 ( 2 1 9 ) 1 6 一款基丁一调制技术的高性能d 类音频功率放人器的设计 所以，式( 2 1 8 ) 的效率公式修正为 刀= 每= 丽素瓜= 丽忑( 2 - 2 。) 由式( 2 2 0 ) 不难看出，r o 。和c 。越小，放大器的损耗越小，效率越高。但是 要减小r o 。，就要增大功率管的尺寸，而这又势必会带来栅极电容c 。的增大。这 样一对折衷关系在所有的开关系统设计中都存在，给栅极驱动电路的设计带来了 极大的挑战，目前国际上也出现了较多栅极驱动电路优化设计方面的研究成果 3 2 1 1 3 3 1 o 由图2 1 6 和2 1 7 中可以看出，为保持音质不变，输出采用l c 低通滤波器滤 除方波中的高频成分，如图2 1 8 所示。滤波器的传输函数为 尺l 卷= 半= _ 半t ( 2 _ 2 1 ) v ，( s ) 上+ 豇s 2 + 上s + 上 、 那么，可以得到滤波器的截止频率t o o $ 1 1 品质因数q 1 绒2 面q = r c ( 2 - 2 2 ) 图2 1 8 输出滤波器电路 滤波器设计的好坏直接影响放大器的t h d 特性。对大多数应用来说，最好选 择具有平坦的通带和较好的相位响应的巴特沃斯滤波器。 第二章x d 2 9 0 2 的系统设计 第三章x d 2 9 0 2 的系统设计 前面已经对d 类功率放大器的相关知识做了细致而又全面的讨论，下面将要 设计一款高输出功率并且具有全保护功能的高性能d 类音频功率放大器x d 2 9 0 2 。 本章将从系统级对x d 2 9 0 2 进行细致的分析。首先提出并详细分析了二阶连续时 间一调带o ( c t - s d m ) 技术、自振荡技术和“咔嚓”噪声消除技术，接下来给出 x d 2 9 0 2 的功能特性以及系统指标，最后介绍x d 2 9 0 2 所采用的工艺制程。 3 1 二阶连续时间一调制技术 由第二章分析可知，p w m 调制结构的d 类功放，其增益是与电源电压成正比 的，而对于线性功放，其增益与电源电压没有直接关系，因此线性功放要比d 类 功放有更好的电源抑制t l ( p s r r ) 。而p s r r 性能的好坏直接影响音频功率放大器 的音质。另外，d 类放大器较低的保真度也一直颇受诟病。d 类放大器由于以下 原因会产生失真和噪声： 1 1 开关管不必要的特征，比如导通阻抗、有限的开关速度以及寄生晶体二极 管； 2 ) 由于限定的输出阻抗和通过直流供电的能量的反作用而引起电源电压的 波动； 3 ) 开关管驱动信号上的时间误差，如死区时间、丌通关断时间、上升下降时 间等； 4 ) 从调制器到输出开关级，由于调制逻辑的分辨率限制和时间抖动而导致 p w m 信号中的非线