音频功率放大器(D类)

目录?W1Abstract2弓唁31.1音频放大器背景31.2D类音频功率放大器的发展动态41.3主要研究内容及指标51.4论文组织结构5第二章功率放大器原理62.1功率放大器种类62.1.1A类放大器62.1.2B类放大器62.1.3AB类放大器72.2D类放大器72.2.1D类放大器工作原理82.2.2模拟脉宽调制82.2.3数字脉宽调制92.3D类功放的输出级112.4免除滤波器设计技术12第三章D类音频放大器的设计因素133.1合适的功率管尺寸133.2保护电路133.3絲143.4电磁干扰禾口布局153.5LC滤波器设计163.6系统成本考虑16第四章SP8803模块设计174.1SP8803概述174.1.1特点174.1.2应用174.1.3典型应用电路184.1.4模块框图184.1.5管脚配置和说明184.1.6电器特性194.2电路模块设计204.2.1基准电压源电路设计：204.2.2过温保护224.2.3欠压保护234.2.4上电复位244.2.5三角波振荡器254.2.6PWM调制器274.2.7BD调制PWM脉冲的进一步处理294.2.8死区控制及驱动原理304.2.9短路过流保护34I4.2.10数字音量控制364.2.11电路启动过程374.2.12前置运放384.2.13芯片整体仿真394.3本章小结41第五章总结及展望425.1总结425.2展望424345II摘要本文设计了一种D类音频功率放大器电路，相比于传统功放，D类功放有其独特的性能优势。高效率和低能耗使其在移动音频设备中的运用越来越广泛。本文在阅读国内外有关文献的基础上，介绍了目前主要的非线性和线性功率放大器并总结其优缺点，介绍了传统D类放大器的工作原理和实现方式，并在此基础上提出了一种可应用于无滤波器D类功率放大器的改进脉宽调制方式。无滤波器D类功率放大器的子电路包括带斩波稳定的高性能运算放大器、低噪声比较器、250KHz振荡器、输出功率级电路、过温保护，过流保护电路等。在反复计算调试的基础上对电路进行了模块电路仿真和系统整体仿真，达到了设计指标。采用CADENCE公司的Virtuoso设计工具进行电路设计仿真和版图，采用华润上华0.5um双多晶双铝的BICM0S工艺。在电源电压5V，负载为4Q时实现了3W的功率输出，最高效率90%,谐波失真小于10%,64阶音量调制。关键词：D类功率放大器，无滤波器，脉宽调制，功率输出级。中图分类号：TN4AbstractComparedwiththetraditionalaudiopoweramplifiers,theclassDamplifierpossesseslargedevelopmentforeground.Thereasonisthelaterhasseveralcharacters,suchassmallvolume，highefficiency,lowdistortionandhighpowermakeitapplytomobiledevicesmoreandmorewidely.Thefamiliarlinearandnon-linearpoweramplifiersareintroducedfirstly,andthentheanalysisofadvantagesanddisadvantagesoftheseamplifierisgiveninthisthesi.ComparisonbetweenthetraditionalclassDpoweramplifierandtheamplifierthatisbasedonanimprovedpulse-widthmodulated(PWM)modulationforfilter-lessclass-Disdoneindetail.Filter-lessclassDamplifierconsistsofanoperationalamplifier,acomparator,atri-angulargenerator,apoweroutputstageandtheprotectioncircuits.Theclass-DamplifierhasbeenverifiedinSiliconandcanmeetallrequirements.EDAtoolCADENCEisusedforthecircuitsimulationandlayoutdesign.TheprocessofCSMC0.5umDPTMCMOSMixedsignalstandardCMOSisselectedformanufacturing.Testingresultsshowthattheoutputpoweris3W,themaximumefficiencyishigherthan90%andTHDissmallerthan10%.Keyword：Class-Damplifier，filter-less，PWM，poweroutputstage.ClassificationCode:TN42第一章引言1.1音频放大器背景音频功率放大器是MP3播放器、笔记本电脑、手机以及便携式DVD等消费类电子产品中应用最广泛的组件之一，有很大的市场。传统音频功率放大器主要有A类（甲类)、B类(乙类)和AB类（甲乙类），由于AB类功率放大器能够提供高品质的信号放大性能，所以已经被广泛的应用，然而AB类功率放大器工作时，由于直接对模拟信号进行放大，工作期间必须处于线性放大区，因此其功率耗散较大['2],在大输出功率情况下，AB类放大器会对功率器件构成极大威胁，此外，AB类功率放大器还存在如下的缺点：1.效率低，其输出功率不可能很大；2.大功率输出时，通常需要散热器，因此系统体积较大。随着科技的进一步发展，更多、更新的便携式多媒体产品都要求其中的音响系统具有更小的外形设计和更大的电池容量，所以上述缺点都成为AB类功率放大器的致命弱点，限制了AB类音频功放的进一步发展⑴。近些年来，随着各领域数字化程度不断加深，D类音频功率放大器逐渐进入了人们的视线，D类放大器的工作方式不同于A类、B类和AB类，它采用切换电压方式的同时利用数字信号控制导通时间以放大信号，其输出级的工作状态不是完全导通就是完全截止，因此输出器件的功耗非常小，使它的效率远比A类、B类和AB类要高的多，同时D类放大器的效率和输入信号的大小无关，不像AB类放大器只有在很高的输出功率时才能达到比较高的效率，在电源电压为额定值时，D类放大器的效率高达80%-90%以上[2]，其平均效率大约要比AB类放大器高2-3倍，也就是说，通常系统电池的寿命可以延长2-3倍，同时在输出功率一样的情况下，D类音频功率放大器的表面温度会远远低于AB类，因此使用时不需或只需要一个很小的散热器，这就大大减小了D类音频功率放大器的体积，具体来说D类音频功率放大器的优点是：（1)节能，所需散热片小，这样可以节省空间，系统可以设计得较轻、较小；（2)电源使用效率很高，可以延长系统电池的寿命。上述优点使得D类音频放大器和模拟音频放大器相比时具有很大的优势随着目前市场上消费电子行业的快速发展以及音频功率放大器高效、节能和小型化的趋势，D类音频功率放大器开始逐渐取代AB类进入可携式产品、家庭AV设备、专业影音、汽车音响、平板电视、媒体播放器和笔记本电脑等多个领域⑺，可以说，在未来的很长时间内，D类音频功率放大器将一直是研究的热点，如何设计出一款兼顾效率与保真度的D类音频功率放大器也会越来越成为众多研究机构和企业所关注的课题。31.2D类音频功率放大器的发展动态D类工作模式在1959年由Baxandal1首先提出，即使用脉冲形式的信号来驱动高速的功率开关，该脉冲信号一般都是脉宽调制(PWM)信号，它的低频部分包含了调制信号的信息，通过一个低通滤波器以后，可以将调制信号重现。从60年代起，人们就开始尝试研制D类放大器，最早是想用真空管来研制D类放大器，但由于受到真空管在电压降和电流能力方面的限制，降低了放大器的效率，限制了放大器的输出。在60年代后期，双极型晶体管取代了真空管，此时研制低频高效D类放大器的条件已经成熟，然而由于D类放大器需要在高频条件下工作，其工作频率至少为20KHZ音频频率的4?5倍，因此在这样的高频下，使用双极型晶体管会产生连续的开关损耗，这限制了D类放大器效率的提高。直到1970年金属氧化物半导体场效应管出现后，满足了D类放大器对高开关速度和低导通损耗的要求，实现了高性能的开关器件，这才开发出宽频带D类音频功率放大器D类音频功率放大器从一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了电子工业界的广泛关注]。由于现在设计技术的不断提高，D类音频功率放大器的性能得到了突飞猛进的改善，在音质方面己经逐渐追上了AB类的性能，这使得其近年来在市场上有极快的发展，根据专业调研公司的数据，2005年全球D类音频放大器销售总值已达2亿美元以上，2006年增长至约3.5亿美元，而2008年市场需求将会超过6亿美元，按照这样的增长速度，预计到2010年将达到10亿左右的规模，发展前景十分乐观。目前D类音频功率放大器市场中的主流产品几乎都来自欧美的各大半导体设计公司，如美国国家半导体(National)、德州仪器(TI)、美信(Maxim)和Tripath公司，此外还有欧洲的意法半导体(ST)、欧胜(WolfonMicro)和飞利浦(PHILIPS)等，而包括台湾在内的中国半导体企业都极少有能够与他们竞争的产品。国际方面，首先介绍的是美国的Tripath公司，该公司拥有称为数码功率处理(DPPTM)的专利技术，此技术采用多种信号处理技术，包括自适应预处理、噪声整形、预失真处理和A-2：调制电路，进一步减小了失真和噪声，确保了音频高保真性能的同时也完成了高效率的放大，Tripath公司将基于DPPTM原理设计的放大器称为T类放大器，该类放人器具有髙保真、高效率、体积小、重量轻等特点，该类放大器在推动40hm负载时功率可达90W,THD+N小于0.1%，效率高达90%。作为全球D类音频功率放大器行业的领先公司，TI于2005年5月推出较为先进的20W单声道高功率数字输入D类音频放大器TPA3200D1，该芯片突破传统的模拟输入，向全数字化功放更进一步，该芯片在18V电源电压下推动80hm负载时功率可达20W，THD+N小于0.1%,效率高达85%以上。另外，NS，ST，PHILIPS,YAMAHA等公司也纷纷推出自主设计的D类音频功率放大器，如NS的LM系列，ST的STA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等等。4国内方面，1998年11月，成都天奥公司发布了具有自主知识产权的D类音频功率放大器，并于2000年研制出6通道专用芯片DPPC2006，其转换效率达到了90%以上，目前，该公司数字音频功放IC已广泛应用于DVD、汽车音响、家庭影院和背投电视等领域。2005年12月，成都华微《数字音频功放芯片幵发与模块制造》项目己成功通过国家电子信息发展基金办公室验收，并得到高度评价。同时诸多公司也已开始或者有计划向D类音频功放芯片化方向投入大量人力与物力，种种迹象表明，近几年，国内公司在D类音频功率放大器幵发方面将作出突破。因此，对D类音频功率放大器的相关技术进行研究具有非常重要的意义。1.3主要研究内容及指标本课题是设计一款3W无滤波器D类音频功率放大器，能够获得较高的音频质量和效率，并能达到下述主要技术指标。(1)电源电压工作范围：2.5到6乂，典型工作电压为5V(2)工作效率：工作电压5V，负载8C2，输出功率为1.7W时，效率可达89%(3)采用改进的脉宽调制方式，不需要外接滤波器(4)静态功耗较低，电源电压5V，无负载时，静态电流典型值：10mA(5)低失真，输出功率1.1W,负载8Q时，THD小