增强高功率D类音频放大器设计中的性能和可靠性

1、增强高功率D类音频放大器设计中的性能和可靠性摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTAC)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为126 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于05 dB，采用18 V电源，TSMC 018m CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词：Butte绿色能源标准、更低成本和更高音频保真度的需求正在推动D类放大器在高功率音频中的应用。传统的模拟实现（例如AB类拓扑结构）

2、比较复杂且效率低，但由于其对音频的高保真性能，占据了高端音频市场。D类系统设计更简单、更高效，且提供媲美模拟放大器的高保真能力，正在迅速缩小在高端音频市场中的差距。典型的D类音频系统先把模拟音频输入信号转换为数字PWM信号，在数字域进行功率放大，然后再把数字信号转换成模拟音频信号输出。如图1所示，输入的音频信号被送到一个脉冲宽度调制器（PWM），它由运算放大器和比较器组成，调制器通过生成与音频输入信号瞬时值成正比的调制占空比信号对音频数字化。图1：D类放大器的基本框图PWM信号进行适当的电平变换，然后送到栅极驱动器，这个驱动器控制由MOSFET（M1和M2）组成的双态功率电路。放大后的信号然后

3、通过输出滤波器（消除PWM载波频率），最终仅仅放大了的模拟音频信号驱动扬声器。通过把滤波器输入信号反馈到错误放大器输入端，进行外部环路滤波，降低了失真和噪声，进一步提高了音频输出保真度。D类放大器设计功效传统的模拟功率放大器依赖于线性放大电路，很容易造成高功率损失。而相比之下，D类放大器的功率效率可以达到90或更高（这取决于设计）。这种高效率的益处是D类放大器技术所固有的，放大机制使用二进制转换(通常是功率MOSFET)。这些开关或者完全导通或者完全关闭，只有很少的时间花费在状态转换上。离散的开关动作和低MOSFET导通阻抗，减少了I2R损耗，提高了效率。然而，在实践中，开关转换时间（死区时间

4、）必须足够长以避免两开关同时运行时效率急剧下降。高保真音频保真度可以被定义为声音再生后的完整性，对于音频系统，保真度一直是声音质量的代名词。同时其他指标也被用于衡量保真度，部分指标的测量对设计人员来说特别具有挑战性。最具挑战性的两个指标是：总谐波失真（THD）和噪声（N），统称为THD+N。THD是对音频系统的精确测量，非常类似于高保真本身。再生信号的误差来自于其他元件产生的输入频率谐波，明显的区别于纯输出信号。THD是所有多余的谐波频率能量与基本输入频率能量的比值，典型的在给定系统的半功率下测量获得。THD性能对于大多数非高保真音频应用来说通常小于0.1%，挑剔的听众通常需要THD等级低至0.05甚至更低。输出噪声等级是对没有信号输入的放大器输出的本底噪声电平的测量。对于大多数扬声器来说，100-500V的本底噪声在正常的收听距离内是听不到的，而达到1mV的本底噪声就太吵了，所以，THD+N是衡量放大器音频保真度的很好指标。D类驱动器IC：特性和益处可编程死区时间D类放大器死区时间（即两个开关均处于关闭状态时的时间段）直接影响到效率和THD。过于短暂的死区时间会引起直通电流，降低效率，过长的死区时间又会增大THD，这会给音频保真度带来不利影响。必须精确设定死区时间，找到使功率效率和THD都最优的“最佳位置”。当前典型高电压音频驱动器具有不精确的、重叠的死区时间设置（即