（微电子学与固体电子学专业论文）数字功率放大器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 数字功率放大器，也称为d 类音频功率放大器，是一种脉冲调制型放大器。它与传 统的模拟音频功率放大器的主要差别在于功率晶体管的工作状态，即使用脉冲形式的信 号来驱动高速的功率开关。数字功率放大器的输出功率晶体管工作在开关状态，理论上 效率可以接近1 0 0 ，因此数字功率放大器芯片被广泛地应用于手机、m p 3 、m p 4 、对讲 机等以有限电源供电、小功率输出且主板空间有限的领域，是便携式电子产品中不可或 缺的一部分。目前国内的数字功率放大器芯片大多依赖于进口，研究具有自主知识产权 的数字功率放大器芯片具有广阔的市场前景和实用价值。 本文设计了一款单片集成数字功率放大器芯片，主要应用在手机、对讲机等这些对 音质要求相对不高的电子产品中。该数字功率放大器芯片使用了全差分脉冲宽度调制结 构，实现了免滤波器设计。本文是基于0 5 u mc m o s 工艺设计的，电源电压的变化范围 是2 5 v 5 5 v ；可以在5 v 电源电压下为8 q 3 2 q 负载提供6 4 0 m w 1 6 0 m w 的最大输出功率 和高于9 0 的效率；在3 3 0 m w 8 0 m w 的输出功率下，放大器总谐波失真小于0 1 ；关断 情况下的静态电流小于0 2 u a ；整个系统的静态功耗小于1 0 m w 。 在文章结构上，本文主要包括调制方案设计、系统结构设计、电路设计与仿真等部 分。论文首先从数字功率放大器的市场分析入手，着重研究应用于较小输出功率且主板 空间有限的领域的数字功率放大器；针对典型数字功率放大器存在的弊端，提出了解决 方案，设计出全差分脉冲宽度调制的调制器结构；根据系统结构，从分析数字功率放大 器的效率入手，确定各子电路的性能指标要求，经过电路结构的选择和优化，最终完成 运算放大器、三角波产生电路、比较器、输出级和基准源等电路模块的设计，并对上述 子电路和整个系统进行仿真。仿真结果表明这个数字功率放大器具有效率高、功耗低以 及谐波失真低的特点。 关键词：模拟集成电路设计、数字功率放大器、免滤波器、p w m 调制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i g i t a la u d i op o w e ra m p l i f i e r ，a l s on a m e dc l a s sda u d i op o w e ra m p l i f i e r , i sap u l s e m o d u l a t i o na m p l i f i e r i th a st h em a i nd i f f e r e n c el i e si nt h ew o r ko fs t a t ep o w e r a m p l i f i e rw i t h t h et r a d i t i o n a la n a l o ga m p l i f i e r t h a ti st h eu s eo fp u l s ef o r m so fh i g h - s p e e ds i g n a l st od r i v e t h ep o w e rs w i t c h i t sp o w e rm o s f e tp e r f o r m sa sap o w e rs w i t c ha n dt h ee f f i c i e n c yo ft h i s k i n do fa u d i op o w e ra m p l i f i e rc a nb e10 0 t h e o r e t i c a l l y t h i sk i n do fd i g i t a la u d i op o w e r a m p l i f i e rh a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e di n c e l lp h o n e ，m p 3p l a y e r ，m p 4p l a y e r , i n t e r p h o n e ，e t c w h e r et h ec a p a c i t yo f b a t t e r y ，t h eo u t p u tp o w e ra sw e l la st h ea r e ao ft h em a i nb o a r da r e l i m i t e d t h ec h i p so fd i g i t a la u d i op o w e ra m p l i f i e rm a i n l yd e p e n do ni m p o r t a t i o n t h e r ew i l l b eab r i g h tf u t u r ea n dab i gm a r k e tb yd e s i g n i n gd i g i t a la u d i op o w e ra m p l i f i e ri cw h i c hh a s p r o p r i e t a r yi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h i sp a p e rp r e s e n t sas i n g l e - c h i pd i g i t a la u d i op o w e ra m p l i f i e ri c i tm a i n l yu s e di n m o b i l ep h o n e sa n di n t e r p h o n e st ot h e s er e l a t i v e l yl o wq u a l i t yr e q u i r e m e n t so fe l e c t r o n i c p r o d u c t s t h ep r o p o s e dd i g i t a la m p l i f i e ri cu s e saf u l l y - d i f f e r e n t i a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) s c h e m ew h i c hc a nr e a l i z et h ef i l t e rf r e ed e s i g n t h i sd e s i g ni sb a s e do nt h e0 5 u m c m o s p r o c e s s ，a n di th a saw i d es u p p l yv o l t a g e ( 2 5 vt o5 5 v ) a6 4 0 m w 16 0 m w m a x i m a l o u t p u tp o w e ra n d9 0 e f f i c i e n c yc a nb ea c h i e v e dw i t ha n8 q 3 2 f 2l o a da n da5 vp o w e r s u p p l y t h et o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) o ft h i sa m p l i f i e ri sb e l o w0 1 w i t h 3 3 0 m w 8 0 m wo u t p u tp o w e r t h eq u i e s c e n tc u r r e n ti sl e s st h a no 2 u a a n dt h eq u i e s c e n t p o w e rd i s s i p a t i o nh a sb e e nr e d u c e dt ol e s st h a n10 m w t h ea r c h i t e c t u r eo ft h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e sm o d u l a t i o np r o p o s a ld e s i g n ，s y s t e m p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，c i r c u i t sd e s i g na n ds i m u l a t i o ne t c f i r s t l y , t h em a r k e to fd i g i t a la u d i o p o w e ra m p l i f i e ri sa n a l y z e da n dt h ea s s i g n m e n to ft h ei s s u ei sd i s t r i b u t e d ，t h ed i g i t a la u d i o p o w e ra m p l i f i e ru s e di ns m a l lp o w e ra n dl i m i t e dm a i nb o a r df i e l di sf o c u s e do n a f t e rt h a t ， t h ed i s a d v a n t a g eo ft y p i c a ld i g i t a la u d i op o w e ra m p l i f i e ri sp r e s e n t e d ，t h ef u l l y - d i f f e r e n t i a l p u l s ew i d t hm o d u l a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e da n ds o l u t i o ni sg i v e n a tl a s t ，s t r u c t u r a la n a l y s i s s y s t e m ，a n a l y s i so ff i g u r e sf r o mt h es t a r tw i t ht h ee f f i c i e n c yo fp o w e ra m p l i f i e r s ，i d e n t i f i e d t h es u b - c i r c u i tp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，t h r o u g ht h ec i r c u i ts t r u c t u r eo ft h es e l e c t i o na n d o p t i m i z a t i o n ，c o m p l e t e dt h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r ，at r i a n g l e w a v ec i r c u i t ，f o rc o m p a r i s o n ，t h e o u t p u tl e v e la n dr e f e r e n c e ss u c ha sc i r c u i tm o d u l ed e s i g n ，s i m u l a t ea n dt e s to fa l lt h eb l o c k s a sw e l la st h es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h i sa m p l i f i e rh a st h ec h a r a c t e ro fh i g h e f f i c i e n c y , l o wl o s s ，a n dl o wt h d k e y w o r d s ：a n a l o gi cd e s i g n ，d i g i t a la u d i op o w e ra m p l i f i e r , f i l t e r - f r e e ，p w m 独创生声明 本人声明所呈交的学位论文是本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的地 方外，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 本人为获得江南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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名：l 比多 i 驴 日 期： 第一章引言 第一章引言 1 1 课题的背景和意义 音频功率放大器是便携式电子产品中不可或缺的一部分，手机、便携式媒体播放器、 助听器和无绳电话等设备的功耗大部分来自于音频功率放大级。降低音频功率放大器的 功耗、提高音频功率放大器的效率是增加充电电池单次使用寿命、延长系统的待机时间 的最直接最有效的方法。 模拟音频功率放大器经过数十年的发展，在技术和性能上目前已经达到了一个巅 峰，很难出现突破性的进展【l 】。效率成为制约模拟音频功率放大器发展的主要因素。模 拟音频功率放大器是线性放大器，可以根据偏置点的不同将模拟音频功率放大器分为a 类、b 类、a b 类，各类功率放大器的理论效率在5 0 7 8 5 之间【2 】。模拟音频功率放大 器的最大效率是在输出最大输出功率时得到的，但是为了保证信号保真度( 总谐波失真 + 噪声) 这一性能指标，放大器往往不能工作在最大输出功率状态，因此模拟音频功率 放大器在实际系统中正常工作时的效率一般不高，对于a 类音频功率放大器，实际的工 作效率一般在2 5 左右。尽管人们曾经采用多种方式试图提高效率，但是由于理论极限 值的限制，模拟音频功率放大器的效率无法得到本质上的改善，数字功率放大器就是在 这种情况下被广泛关注的【3 】【4 】。 数字功率放大器是一项意义深远的创新技术，具有广阔的发展前景，并对消费电子 产生巨大的冲击作用，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。与模拟功率放大器相比，数字功率放大器在获得更高效率的同时可 以降低芯片尺寸，所以在便携式音频设备中有着重要的地位。统计表明，数字功率放大 器目前以每年超过5 0 的速度在迅猛增长。 数字功率放大器与传统的线性音频功率放大器相比，在效率上具有很大的优势。数 字功率放大器的输出晶体管工作在开关状态，起到控制负载上电流方向的作用，理论上 开关不消耗功率，因此，数字功率放大器的效率在理论上可以接近1 0 0 。就实际产品 而言，考虑到输出晶体管的导通电阻损耗、短路电流损耗、寄生电容损耗以及系统的静 态功耗，数字功率放大器的实际工作效率一般可以达到8 5 以上，而在d m o s 和b c d 工 艺被用于i c 铝l j 造后，输出晶体管的导通电阻损耗进一步被降低，数字功率放大器的效率 甚至可以达到9 5 以上【5 】【6 】。与传统的线性音频功率放大器相比，数字功率放大器的劣 势主要体现在系统的复杂度比较高、线性度比较差等方面【7 】。 数字功率放大器的应用领域极其广泛。我国拥有巨大的消费电子市场，目前国内使 用手机的用户很多，而每一部手机中都可以使用一个数字功率放大器；在时尚潮流方面， m p 3 、m p 4 等便携式媒体播放器深受消费者喜爱，在消费电子领域占有巨大的份额，而 数字功率放大器常常作为耳机驱动器用于此类播放器中；在汽车电子领域，数字功率放 大器以其高效率、低散热和更紧凑的封装形式，将逐步取代传统的模拟音频功率放大器， 成为汽车音响的首选和主涮引。 江南大学硕士学位论文 数字功率放大器根据调制方式的不同，可以分为脉冲宽度调制( p w m ) 型数字功 率放大器和s i g m a d e l t a 调制型数字功率放大器。采用脉冲宽度调制( p w m ) 型数字功 率放大器，其功率晶体管工作在开关状态，其效率理论上可以达到1 0 0 ，电路实现较 为简单，但是要特别注意电磁干扰( e m i ) 和噪声；采用s i g m a d e l t a 调制方法来设计数 字功率放大器，该调制方法相对于p w m 调制方法来说能够进一步提高数字功率放大器 的总谐波失真( t h d ) 【9 】【1 0 】，得到更好的线性度，但其系统实现也会更为复杂。 1 2 课题的研究现状 人们对数字放大器的研究已有近半个世纪，但直到最近十几年才得到越来越多人的 青睐。 1 9 5 8 年泰勒首先提出d 类工作模式这一概念，即使用脉冲形式的信号来驱动高速的 功率开关【1 1 】。该脉冲信号一般都是脉宽调制信号，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滤除高频信号后，可以将低频调制信号重现。 1 9 7 0 年金属氧化物半导体场效应管出现后，实现了高性能的开关器件，为宽频带数 字放大器开发提供了条件； 1 9 8 3 年，m b s a n d i e r 等学者提出d 类( 数字) p w m 功率放大器的基本结构，主要围 绕如何将p c m 信号转换为p w m 信号。对p w m 信号的功率放大属于开关放大，与模拟功 放的线性放大有很大的差异，开关放大的突出优势就是效率很高。 从6 0 年代起，人们就丌始尝试研制数字功率放大器。最早是用真空管来研制开关放 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6 0 年代后期，双极型晶体管取代了真空管，此时研制低频高效开关 放大器的条件已经成熟，然而音频开关放大器需要在高频条件下工作，其工作频率至少 为2 0 k h z 音频频谱的4 - 一5 倍，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，这限制了数字功率放大器效率的提高；8 0 年代后期出现了m o s 场效应晶体管，它能 满足数字功率放大器对高开关速度和低导通损耗的要求，从此数字功率放大器开始步入 商业领域。 目前，数字功率放大器芯片的设计主要集中在德州仪器、美国模拟器件公司等国外 大公司，它们生产的数字功率放大器芯片，被广泛地应用于便携式电子产品中，占据了 绝大多数的市场份额。国内的手机、m p 3 等生产厂商，需要购买上述公司受专利保护的 数字功率放大器集成电路模块进行研发，这不单单增加了成本，也大大降低了国产消费 类电子产品的竞争力。国内在数字功率放大器设计方面处于起步阶段，目前还没有经受 起市场考验的成型的产品出现，因此，设计具有自主知识产权的数字功率放大器芯片意 义重大。 更小的面积、单端输入输出结构、更好的t h d 、更加数字化的数字功率放大器是当 前研究的重点【1 2 】【1 3 】。现在数字功率放大器仍然面临着e m i ，t h d 偏高等问题，要解决这 些问题还需要在系统设计和版图实现上有所创新。 2 第一章引言 1 3 课题的设计指标 数字功率放大器需要关注的性能指标主要包括最大输出功率、总谐波失真加噪声 ( t h d + n ) 、效率等。 最大输出功率定义为在特定的电源电压、负载、输入信号频率下，当输出波形t h d 小于一个特定值时，最多能够传输到负载上的功率。对于数字功率放大器，音频功率放 大器电路及芯片设计工程师常常选用t h d + n = 1 作为最大输出功率的参照值【9 】。笔记 本、对讲机、p d a 等便携式设备要求最大输出功率为2 3 w 左右；手机和m p 3 、m p 4 等 便携式媒体播放器中使用的数字功率放大器，其最大输出功率要求比较小，一般不超过 1 w ；作为耳机驱动器使用的数字功率放大器的最大输出功率则一般不超过0 1 5 w 。 本设计将功放的最大输出功率定位为可以为8 f 2 负载( 扬声器) 提供6 0 0 m w 以上的 输出功率和为3 2 q 负载( 耳机) 提供1 5 0 m w 以上的最大输出功率。 总谐波失真加噪声( t h d + n ) 这个性能指标用来定义功率放大器的非线性和噪声 对原始信号的影响，人们常说的功率放大器的保真度就是指t h d + n 这个指标。t h d + n 可以通过计算谐波分量能量与噪声能量的总和占全部输出信号能量的百分比得到【9 】。 数字功率放大器应用领域的不同，对于t h d + n 的要求有很大的差异。数字功率放 大器的应用领域、性能指标要求和典型产品如表1 1 所示。 表1 1 数字功率放大器的应用领域和性能指标要求 t a b 1 - la p p l i c a t i o nf i e l da n dp e r f o r m a n c ed e m a n do f d i g i t a la u d i op o w e ra m p l i f i e r 应用在手机和小灵通上的数字功率放大器主要功能是实现语音传输，因此对于声音 的线性度要求不是很高【l4 1 ，t h d + n 一般限制为1 ；手机和小灵通的机型较小，因此对 于节省主板空间有很高的要求。节省主板空间的一个作用明显的方法就是要求音频功率 放大器可以免除片外滤波器，不使用大容量的电容和电感。设计免滤波器数字功率放大 器，使之能够应用于上述领域，意义重大。 数字功率放大器的效率是音频功率放大器最具特色的性能指标【l5 1 ，这一指标与电池 寿命密切相关，效率越高，在同等条件下，电池的寿命就越长。目前市场上的主要数字 3 江南大学硕士学位论文 功率放大器产品的效率都可以达到8 5 以上，而一些高端数字功率放大器产品的效率甚 至可以达到9 5 以上。 课题要求设计一款应用于手机、小灵通等领域的数字功率放大器，参照市场上的数 字功率放大器芯片产品性能参数，提出预期达到的性能指标如下： l 、供电电压：2 5 v 5 5 v 2 、扬声器负载：8 q 3 2 0 3 、效率：9 0 4 、最大输出功率：6 0 0 m w 5 v ，8 q ，t h d = i 15 0 m w s v ，3 2 q ，t h d = 1 5 、电源电压抑制比：大于6 0 d b 6 、共模抑制比：大于6 0 d b 7 、t h d + n ：小于0 5 5 v ，8 0 ，l k h z ，3 0 0 m w 小于0 5 5 v ，3 2 q ，l k h z ，5 0 m w 上述性能指标，达到了市场上中端数字功率放大器芯片产品的性能要求。 1 4 课题的难点 数字功率放大器的设计过程中存在许多难点，主要包括： 1 、数字功率放大器的调制方案一般有p w m 和s i g m a d e l t a 调制，p w m 调制的具体 实现也有几种方式可供参考。设计满足性能要求的数字功率放大器，需要根据性能要求 认真选择系统调制方案。 2 、系统的电磁干扰( e m i ) 影响数字功率放大器效率和线性度的重要因素，如何 在设计中引入少的e m i ，对于提高系统的性能有重要帮助。 3 、在具体电路设计中，即满足系统对各电路模块的性能指标的要求，又能在电路 结构上有所有优化，节约版图面积，将系统静态功耗降至最低。 4 、要提高系统抗噪声的能力。因为本文的没有低通滤波器，产生的噪声，特别是 在音频频率内的噪声将直接影响到音频的保真度。 通过对数字功率放大器这一研究领域的深入思考与钻研，本论文主要完成了数字功 率放大器的设计。具体内容包括独立确定调制方案，确定调制器结构；独立完成整个系 统的电路设计；对某些具体的子电路模块进行深入的研究，通过对完成子模块的电路拓 扑进行分析和优化，最终选择合适的拓扑结构进行设计。 具体的工作内容如下： l 、确定免滤波器调制器的结构，完成系统结构设计，对系统整体性能进行分析， 对系统进行优化。 2 、根据系统性能指标的要求，确定构成数字功率放大器的各子电路模块的性能指 标，并完成各子电路模块的电路设计，并对其电路参数进行优化。 3 、对数字功率放大器中最重要的子电路模块，即运算放大器模块和功率输出级模 块进行深入研究，通过多种电路结构的对比和分析，选择合适的电路结构并对电路参数 4 第一章引言 进行优化。 4 、在系统和电路设计中注意不要引入电磁干扰( e m i ) 。如在三角波频率的选择 上要特别注意，因为理论上过高的频率可以提高音频的线性度，但也会带来e m i 。 5 、在系统和电路设计中尽量选用全差分的结构。这样可以抑制噪声，增加抗电源 干扰的能力。 1 5 论文的结构安排 本文共分五部分。 第一部分为引言，主要从市场的角度分析课题的研究背景、研究领域和研究现状， 确定毕业设计的任务、研究方向和性能指标要求，最后简要说明论文的结构安排。 第二部分介绍了几种常见的音频功率放大器的工作特点及音频功率放大器的主要 性能参数，从效率、失真、功耗等方面入手，对各类音频功率放大器作了横向比较。 第三部分介绍了典型数字功率放大器的系统结构，对其存在的不足提出了改进方 案，设计出数字功率放大器的系统框架，并对系统结构进行优化。 第四部分是根据数字功率放大器整体性能指标的要求，确定了构成数字功率放大器 各子电路模块的性能指标，并按照性能指标要求，通过不同方案的比较，选择合适的电 路拓扑设计电路并对电路进行仿真优化，最后对数字功率放大器整体系统进行仿真。 第五部分是全文的结论。 1 6 本章小结 本章介绍了课题的研究背景、意义和研究现状；确定了毕业设计的任务、研究方向 和性能指标；对设计中存在的难点给出了解决的方法；最后对论文的结构安排做了说明。 5 江南人学硕十学位论文 第二章音频功率放大器的分类与主要性能参数 稍微留意一下周围，我们就会发现现在的电子设备，包括笔记本电脑、m p 3 播放器、 对讲机等，变得越来越小，越来越便携。这其中的便携性就要求作为电子设备能源的电 池能够长时问供电。在电池容量一定的情况下，我们要延长电池寿命的唯一方法就是提 高电子设备的效率。作为很多电子设备中的一个常用单元，音频功率放大器同样也需要 有较高的效率，从而来延长电池的寿命。特别是在一些音频功率放大器的功耗在整个电 子设备中占较大比重时，音频功率放大器的效率对系统的影响显得尤为突出【1 5 1 。 音频功率放大器通常按照其功率开关管的工作方式可分为线性功率放大器和非线 性功率放大器两类。线性功率放大器即为传统的模拟音频功率放大器【2 】，常分为a 类、b 类、a b 类三种，其主要特点是保真度高，但是效率低。非线性功率放大器又称为数字 功率放大器( d 类音频功率放大器) ，其功率开关管工作于开关状态，具有很高的工作效 率。下面将对这两类音频功率放大器分别进行介绍和比较。 2 1a 类音频功率放大器 a 类音频功率放大器( 图2 1 ) 的输出晶体管在整个输出周期中都处于导通状态，也 就是说总有偏置电流流过输出晶体管，避免了由于器件开关产生的非线性，仅从失真的 角度看，可以认为它是一种良好的线性放大器 2 1 。但由于电源始终不断地输送功率，在 没有信号输入时，这些功耗全部消耗在管子( 和电阻) 上，并转化为热量的形式耗散出 去；当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功耗，信号愈大，输出给负载的功 耗愈多。可以证明，即时在理想的情况下，a 类音频功率放大器的效率最高也只能达到 5 0 。 a 类音频功率放大器的优点是非线性失真度小，信号越小保真度越高；缺点是效率 低，静态工作电流大，不输入信号时也有较大的静态功耗存在，所以，a 类音频功率放 大器仅用于功率很小的收音机、助听器中，也有用于高级的h i f i 音频功率放大器中。 图2 1a 类音频功率放大器 f i g 2 1c l a s saa u d i op o w e ra m p l i f i e r 6 第二章音频功率放人器的分类与主要性能参数 图2 - 2a 类音频功率放大器特性曲线 f i g 2 - 2c l a s saa u d i op o w e ra m p l i f i e rc h a r a c t e r i s t i c 2 2b 类音频功率放大器 如果图2 1 中的v b b 为0 ，放大器的静态点将处在( v c c ，o ) 处，此时，对于一个正 弦波输入信号，它的输出波形只有半个周期被放大，如图2 3 所示。而且在没有信号输 入时，输出端几乎没有功耗。为了能在整个周期放大输入波形，我们将一个n p n 型b j t 与一个p n p 型b j t 相接，形成所谓的互补式射极跟随器，这就构成了b 类推挽式放大器【2 】， 如图2 4 所示。其工作原理是，在的正半周期内，q l 导通，q 2 截止；同理，在v i 的负 半周期内，o l 截止，q 2 导通。这样，b 类音频功率放大器就可以输出完整的正弦波。 b 类音频功率放大器的单个输出晶体管在半个输出周期内导通，相对于输出晶体管 在整个周期内都导通的a 类音频功率放大器来说，该类音频功率放大器具有更高的效率， 理论上最大可达到7 8 5 ，b 类音频功率放大器的特点是静态工作电流很小，功耗较小， i c 图2 3b 类功率放大器的特性曲线 f i g 2 2c l a s sba u d i op o w e ra m p l i f i e rc h a r a c t e r i s t i c 7 交越失真 江南大学硕士学位论文 图2 - 4b 类音频功率放大器 f i g 2 - 4c l a s sba u d i op o w e ra m p l i f i e r 图2 5b 类音频功率放大器的交越失真 f i g 2 - 5c l a s sba u d i op o w e ra m p l i f i e rd i s t o r t i o n 效率较高。但是在输出晶体管交替导通时，会产生严重的非线性失真，这种失真我们把 它称作交越失真( 根本原因是当一个晶体管截止而另一个晶体管导通时需要过度时间) ， 在放大正弦波信号时，输出信号的交越失真如图2 5 所示。为了改善这种情形，所以有 了a b 类音频功率放大器。 2 3a b 类音频功率放大器 在b 类音频功率放大器的基础上，为了减小晶体管q 1 、q 2 交替导通时产生的交越失 真，给晶体管q 1 、q 2 提供了一个偏置电压v b b ，如图2 6 所示，构成a b 类音频功率放大 器。当输入信号为零时，由于此时两个晶体管仍然处于导通状态，因此每一个晶体管的 功率损耗均大于b 类音频功率放大器，即a b 类音频功率放大器的最大工作效率小于b 类 音频功率放大器，但大于a 类音频功率放大器。a b 类音频功率放大器最大的优点是通过 两个偏置电压( v b b ) 来避免交越失真( 图2 7 ) 。正是由于这一优点，a b 类音频功率放 大器在传统的音频功率放大器中得到了广泛的应用。 8 第二章音频功率放大器的分类与主要性能参数 图2 - 6a b 类音频功率放大器 f i g 2 - 6c l a s sa ba u d i op o w e ra m p l i f i e r a b 类音频功率放大器所产生的失真固然比b 类音频功率放大器小，但这种改进所付 出的代价是静态功率的浪费及效率的损失，以至于效率在5 0 以下。人们之所以选用此 类音频功率放大器，主要是由于其有较高的线性度。 以上这些类型的音频功率放大器的缺点是效率比较差，也就是说有很大一部分功率 消耗在芯片上。这不仅仅影响电池的寿命，而且它在芯片上产生了大量的热能有可能使 芯片由于温度升高而工作不稳定。为了克服温度升高的问题，往往通过增大芯片的面积 来散热，无形中增加了芯片的成本。所以在很多便携设备的应用中，像a 类和a b 类这样 的线性功率放大器不是理想的选择，于是人们开始把目光转向数字功率放大器。 2 4 数字功率放大器 数字功率放大器是一种具有极高工作效率的开关音频功率放大器，是一种非线性音 频功率放大器，其功率开关管工作于开关状态。在理想状态下，开关导通时导通电阻为 零，没有电压降，开关关断时电阻为无穷大，没有电流流过，因此，数字功率放大器的 工作效率理论上可达到1 0 0 。但在实际应用中，由于受器件限制( 如开关速度、漏电 流、导通电阻不为零等) 和设计上的不完善，不能实现1 0 0 的效率，但数字功率放大 器的实际效率通常可达8 0 以上。大多数数字功率放大器采用脉冲宽度调制( p w m ) 来 产生输出开关波形，另一种常用方式是采用s i g m a d e l t a 调制来产生输出开关波形。在采 用p w m 模式的数字功率放大器中，输入信号与一个参考三角波信号进行比较( 三角波 信号的频率远大于输入信号带宽) ，产生一个p w m 控制信号来控制桥式功率电路中的晶 体管，使其工作于开关状态，从而得到一个放大了的p w m 波形，再通过一个低通滤波 器，可得到放大了的输入音频信号。 9 江南大学硕士学位论文 2 5 几种音频功率放大器的性能比较 在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系 统功率放大器许多可能的类型包括a 类音频功率放大器，a b 类音频功率放大器和b 类音 频功率放大器。与数字功率放大器设计相比较，即使是最有效的线性输出级，它们的输 出级功耗也很大。这种差别使得数字功率放大器在许多应用中具有显著的优势，因为低 功耗产生热量较少、节省印制电路板( p c b ) 面积和成本、能够延长便携式系统的电池 寿命。 线性功率放大器输出级直接连接到扬声器( 有些情况下通过电容器连接) 。如果输 出级使用双极晶体管( b j t ) ，它们通常工作在线性方式下，具有大的集射极电压。输出 级也可以用互补金属氧化物半导体( c m o s ) 晶体管实现。 功率消耗在所有线性输出级，因为产生输出电压v o 的过程中不可避免地会在至少一 个输出晶体管内造成非零的i d s 和v d s 。功耗大小主要取决于对输出晶体管的偏置方法。 a 类音频功率放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流( d c ) 电流源【2 】，能够提供 扬声器需要的最大音频电流。a 类音频功率放大器输出级可以提供优良的音质，但功耗 非常大，因为通常有很大的d c 偏置电流流过输出级晶体管( 这是我们不期望的) ，而没 有提供给扬声器( 这是我们期望的) 。 b 类音频功率放大器拓扑结构没有d c 偏置电流，所以功耗大大减少。其输出晶体管 是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收 负电流。由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。但是b 类音频功率放 大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线 性误差( 交越失真) 。 a b 类音频功率放大器是a 类音频功率放大器和b 类音频功率放大器的组合折衷【2 1 ， 它也使用d c 偏置电流，但它远小于单纯的a 类音频功率放大器。小的d c 偏置电流足以 防止交越失真，从而能提供良好的音质。其功耗介于a 类音频功率放大器和b 类音频功 率放大器之间，但通常更接近于b 类音频功率放大器。与b 类音频功率放大器电路类似， a b 类音频功率放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。遗憾的是， 即使是精心设计a b 类放大器也有很大的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远离正 电源或负电源。由于漏源极之间的电压降很大，所以会产生很大的瞬时功耗。 数字功率放大器由于具有不同的拓扑结构，其功耗远小于上面任何一类放大器。数 字功率放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲。这种波形有 利于降低功耗，因为当输出晶体管在不导通时具有零电流，并且在导通时具有很低的 v d s ，因而产生较小的功耗。由于大多数音频信号不是脉冲串，因此必须包括一个调制 器将音频输入转换为脉冲信号。脉冲的频率成分包括需要的音频信号和与调制过程相关 的重要的高频能量，经常在输出级和扬声器之间插入一个低通滤波器以将电磁干扰 ( e m i ) 减至最小，并且避免以太多的高频能量驱动扬声器【l6 1 。为了保持开关输出级的 功耗优点，要求该滤波器是无损的( 或接近于无损) 。低通滤波器通常采用电容器和电 感器，只有扬声器是耗能元件。 1 0 第二章音频功率放大器的分类与主要性能参数 2 6 音频功率放大器的主要性能参数 l 、输出功率【2 】 按照音频功放输出功率的表示方法，常见的有额定输出功率( r m s ) 、最大输出功 率和峰值音乐输出功率( p m p o ) 等。 额定输出功率是指在有效音频范围内( 2 0 h z 一2 0 k h z ) ，当产生额定总谐波失真时， 在额定负载阻抗上产生的功率。它在给定总谐波失真指标下，由供电电压、功率管特性 及所接负载大小决定。 最大输出功率是指在不考虑失真度指标的情况下，音频功放可连续输出的最大功 率，亦即不受失真限制时音频功放输出的最大功率。 峰值音乐输出功率，也就是通常所说的p m p o 功率，它是为了反映音频功放对实际 音乐信号处理能力而提出来的。峰值音乐输出功率是指在一个极短的持续时间内，功放 输出的最大瞬态功率，其大小通常为额定输出功率的8 1 0 倍。 通常人们关心的是额定输出功率，这个指标更有实际意义。 2 、频率特性 音频功放的频率特性，是反映它对不同信号频率放大能力的物理量。通常采用输出 电平随频率变化的函数曲线来描述，指的是振幅频率特性，习惯上称为频率特性或频率 响应( 简称为频响) 。 3 、输入灵敏度 使音频功放输出额定功率时所需的输入电压( 有效值) 。 4 、噪声电压 当输入为零时，输出负载上的电压。 5 、电源抑制叫1 6 】 电源抑制比p s r r ( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) 是描述功率放大器抗电源干扰能 力的重要指标，它被定义为从输入到输出的增益与从电源到输出的增益的比值。 6 、共模抑制比 共模抑制 = l c m r r ( c o m m o nm o d er e j e c t i o nr a t i o ) 是描述放大器对共模信号抑制 能力的重要指标，它被定义为差模增益与共模增益的比值。 7 、转换速率 转换速率s r ( s l e wr a t e ) 是反映音频功放瞬态特性的一项技术指标。它表示给放 大器施加一个输入电压后，在l u s 时间内，放大器输出电压的变化，单位为v u s 。通常用 于衡量放大器对输入脉冲信号做出迅速反应的能力。 8 、总谐波失真【9 】 总谐波失真t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 是用来测试每一个从原始信号产生出 来的新频率，也就是非线性失真。它是指有信号源输入时，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，通常用百分数来表示。总谐波失真主要是由于功 率管的非线性、静态工作点不适合或信号过大引起的。其明显的特征是在输出信号中， 出现了输入信号中原本没有的频率成分，属于一种非线性失真。 江南大学硕+ 学位论文 一般说来，1k h z 频率处的总谐波失真最小，所以，测试总谐波失真时，是发出lk h z 的声音来检测，这一个值越小越好。通常情况下，我们用t h d + n 来作为衡量保真度的 评价指标，指标中“+ n ”表示了在考虑保真度的同时也对噪声进行了考虑。 通常，在额定输出条件下，一般高保真功放的总谐波失真大多在0 1 以下，而专业 级功放的总谐波失真，则可达n o 0 3 以下。 降低总谐波失真的方法： a 施加适量的负反馈。 b 选用特征频率高、噪声系数小和线性好的放大器件。 c 提高电源的功率储备，改善电源的滤波性能。 9 、功耗【1 7 】【1 8 】 功率放大器中的功耗主要包括静态功耗和动态功耗，而关于功放中的低功耗设计的 目的就是要减小动态功耗。 降低功耗的方法： a 在芯片设计之初，就评估系统各模块的静态功耗，找到其中功耗最大的模块，对 其采取相应的措施减小功耗。 b 在降低动态功耗方面，要降低芯片和封装电容，采用先进的工艺和互连技术，该 方法非常有效，只是工艺成本昂贵；同时也要降低电源电压，利用功耗与电压的平方依 赖关系，此方法非常有效，但会导致性能下降等问题。 c 在整个设计完成后，我们要对整个芯片设计进行验证，看看芯片中还有没有“热 点”，进行一些后续的处理。 1 0 、噪声【1 9 】【2 0 】 噪声是一个随机过程，也就是说它的大小在任何时候都不能被预测，但在很多情况 下，噪声的平均功率还是可以被预测的。我们通常需要把几个噪声源的影响相加来获得 总噪声，而最终关心的是平均噪声功率。此芯片中的噪声多数是由电源、地线或者是衬 底引入的，诸多噪声中我们重点解决的就是在开机时“浪涌”引起的噪声，也叫做“p o p ” 噪声。 “p o p ”噪声是指音频器件在上电或断电瞬间以及上电稳定后，各种操作带来的瞬态 冲击所产生的爆破声，也就是滴答声和爆裂声。瞬态冲击通常是一种很窄的尖脉冲，用 傅立叶分析展开后，频谱分量很丰富，且频域内能量分布相对平均，所以要抑制“p o p ” 噪声的主要手段就是要降低2 0 h z - 2 0 k h z 内的高次谐波分量。 抑制“p o p ”噪声的方法： a 增大偏置电压端的滤波电容。 b 减小输出端的耦合电容。 c 用恰当的操作来抑制“p o p ”噪声。 d 采用桥式结构( b t l ) 。 1 2 第二章音频功率放大器的分类与主要性能参数 2 6 本章小结 本章首先对几类传统的模拟功率放大器，介绍了它们工作的基本原理，分析了它们 的优点和不足；简要介绍了数字功率放大器的工作原理；对以上几种音频功率放大器在 性能上进行比较；最后把音频功率放大器设计中要注意的性能参数进行了说明。 1 3 江南大学硕十学位论文 第三章数字功率放大器