PWM調(diào)制的無(wú)濾波Class D音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

　　隨著便攜式產(chǎn)品需求量不斷增加，Class D數(shù)字功放因相比Class AB線性功放更符合便攜式發(fā)展趨勢(shì)從而成為研究熱點(diǎn)。Class D功放的發(fā)展趨勢(shì)為保持效率優(yōu)勢(shì)的同時(shí)成本降低、音質(zhì)趨近ClassAB功放，本文就圍繞這兩點(diǎn)展開。

　　本文采用正向設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品中的PWM調(diào)制無(wú)濾波Class D音頻功率放大器系統(tǒng)。根據(jù)便攜式產(chǎn)品對(duì)音頻功放的要求，設(shè)定了合理的系統(tǒng)性能指標(biāo)和詳細(xì)地論證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇。性能方面分析了效率和THD的影響因素和改進(jìn)方法。結(jié)構(gòu)方面根據(jù)無(wú)濾波系統(tǒng)的性能要求選擇三電平雙邊PWM采樣調(diào)制方式。同時(shí)設(shè)計(jì)了閉環(huán)濾波式結(jié)構(gòu)和基本開環(huán)結(jié)構(gòu)，以進(jìn)行性能比較，突出無(wú)濾波調(diào)制方式的先進(jìn)性。

　　主要從系統(tǒng)穩(wěn)定性、THD要求和PSRR要求三個(gè)方面進(jìn)行無(wú)濾波調(diào)制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先建立系統(tǒng)的線性模型，推導(dǎo)出各模塊電路的傳遞函數(shù)及系統(tǒng)環(huán)路增益和PSRR的表達(dá)式。明確了在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下折中THD和SNR的設(shè)計(jì)思路。最后進(jìn)行Matlab驗(yàn)證。

　　通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析出關(guān)鍵模塊電路的性能指標(biāo)，從而進(jìn)行具體模塊電路的結(jié)構(gòu)選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了功率級(jí)和一階積分器，同時(shí)設(shè)計(jì)了三角波發(fā)生器、前置放大器、比較器、偏置和模擬地產(chǎn)生電路。

　　采用CSMC 0．5ttm工藝，運(yùn)用Cadence和Hspice軟件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。首先驗(yàn)證了閉環(huán)無(wú)濾波系統(tǒng)在2．5V至5V內(nèi)可以正常地工作；8Q負(fù)載下最大輸出功率為1．2W；系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)90．13％；8Q負(fù)載、O．5W輸出功率、5KHz輸入信號(hào)頻率條件下THD最低可為0．3935％；其次，從效率和THD性能指標(biāo)的角度，比較了開環(huán)結(jié)構(gòu)、閉環(huán)濾波式結(jié)構(gòu)和閉環(huán)無(wú)濾波結(jié)構(gòu)。效率方面，閉環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)于開環(huán)結(jié)構(gòu)；大功率時(shí)閉環(huán)濾波式系統(tǒng)和無(wú)濾波系統(tǒng)的效率一樣，小功率時(shí)閉環(huán)濾波式系統(tǒng)的效率略高于無(wú)濾波系統(tǒng)的效率。THD方面，兩個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)THD相對(duì)開環(huán)結(jié)構(gòu)均有所改善，但無(wú)濾波閉環(huán)結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于開環(huán)結(jié)構(gòu)。由此證明閉環(huán)無(wú)濾波結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性。

　　本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：采用正向設(shè)計(jì)的方法，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析出關(guān)鍵模塊電路的性能指標(biāo)。從理論上推導(dǎo)出在版圖設(shè)計(jì)上提高效率的方法。設(shè)計(jì)出無(wú)濾波式BTL功率級(jí)的電路結(jié)構(gòu)。

　　對(duì)于需求巨大的便攜式產(chǎn)品，無(wú)濾波調(diào)制Class D功放極大地節(jié)省了板級(jí)面積，降低了成本，同時(shí)滿足便攜式基本的性能要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　本章首先介紹了音頻功放的應(yīng)用領(lǐng)域和分類。根據(jù)便攜式應(yīng)用，肯定了無(wú)濾波Class D功放的研究意義；比較音頻功放兩大類Class D功放與Class AB功放的優(yōu)缺點(diǎn)，分析出Class D功放的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。比較了Class D功放兩大類PWM功放和Σ．△功放的優(yōu)缺點(diǎn)。由此確定本論文系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)性能指標(biāo)。最后簡(jiǎn)要概括了本文主要工作和章節(jié)安排。