（电路与系统专业论文）高增益低谐波失真cmos功率放大器的研究和设计.pdf

、 计： 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 | | 1 1 11 1 1i r l lif lli iull 17 3 9 5 4 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 7 论文作者签名： 羔查日期：丝垒：乏：三2 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 音频功率放大器作为集成电路的基本单元，一向被广泛应用于手机、耳机、m p 3 m p 4 、 c dp l a y e r 、随身听等各种音频消费类电子设备中。音频功率放大器的性能直接决定这类与 人的听觉相关联的电子设备的市场占有率。所以，如何设计低功耗、低噪声、低谐波失真 的音频功率放大器一直是人们研究的热点。 本文在论述音频功率放大器的多种常见设计结构之后，比较了这几种设计结构的优缺 点，最终设计了一款带有低功耗关断功能、温度控制功能和低谐波失真的a b 类功率放大 器的音频放大器芯片。 低功耗模式下，音频放大器芯片的主要电路均处于关断状态，只有一些逻辑电路处于 工作状态，降低了芯片的整体功耗。温度控制模块通过对芯片所处环境的温度进行监测， 当温度高于某设定值时，关断芯片中的带隙基准电路以实现芯片的过温保护功能。音频放 大器芯片一般都要求很高的线性度，以达到最好的听觉效果。本文论述并比较了三种常用 于降低功率放大器非线性失真( 总谐波失真) 的技术，并总结了三种技术的优缺点和适用 范围，最终设计了一个包含a b 类输出级的功率放大器。这种设计可以在不增加额外电路 的基础上，降低音频功率放大器的总谐波失真，提高芯片的听觉效果。 在本设计中，音频放大器芯片主要被分为4 个部分：p o p c l i c k 模块用于产生稳定的 旁路电压同时降低芯片的p o p c l i c k 噪声；带隙基准模块用于产生芯片各个模块所需的 偏置电压；温度控制模块用于监测芯片工作的环境温度，实现过温保护功能；功率放大器 模块用于放大输入的音频信号并提供输出。 本设计的所有电路都是在华润上华c s m c0 5 m2 p 6 m 工艺下进行仿真验证的，仿真 结果表明所设计的音频放大器芯片的各项性能指标均能达到设计的预期值。 关键词：低谐波失真高增益p o p c l i c k 桥式结构 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u d i op o w e ra m p l i f i e ri st h eb a s i cu n i to fi n t e g r a t e dc i r c u i t s i th a sb e e nw i d e l yu s e di n m o b i l ep h o n e s ，h e a d s e t s ，m p 3 m p 4 ，c dp l a y e r , a u d i op l a y e ra n do t h e rc o n s u m e re l e c t r o n i c d e v i c e s t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea u d i op o w e ra m p l i f i e rd i r e c t l yd e t e r m i n e st h em a r k e ts h a r eo f t h i sk i n d o fa u d i oc o n s u m e re l e c t r o n i c se q u i p m e n t t h e r e f o r e ，h o wt od e s i g nl o w - p o w e r c o n s u m p t i o n ，l o wn o i s e ，l o wh a r m o n i cd i s t o r t i o na u d i op o w e ra m p l i f i e rh a sb e e no n e o fr e s e a r c h h o t 1 1 1 i sp a p e rd i s c u s s e ss o m eo fc o m m o na u d i op o w e ra m p l i f i e rd e s i g ns t r u c t u r e ，c o m p a r eo f t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h e s et y p e so fd e s i g ns t r u c t u r e ，a n dw ef i n a l l yd e s i g na na u d i o a m p l i f i e rc h i pw i t hl o w p o w e rs h u t d o w nf e a t u r e ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lf e a t u r ea n dl o wh a r m o n i c d i s t o r t i o no fc l a s sa bp o w e ra m p l i f i e r l o w p o w e rc o n s u m p t i o nm o d e , t h em o s tb l o c k so fa u d i oa m p l i f i e rc h i pa r ei ns h u t d o w n s t a t u s ，o n l ys o m el o g i ci nn o r m a ls t a t u st or e d u c et h eo v e r a l lp o w e rc o n s u m p t i o no fc h i p t e m p e r a t u r ec o n t r o lb l o c ku s e dt om o n i t o rt h et e m p e r a t u r eo ft h ec h i p ，w h e nt h et e m p e r a t u r ei s h i g h e rt h a nap r e s e tv a l u e ，t h ep o w e ra m p l i f i e ro fc h i pw o u l db et u m e do f f i no r d e rt oa c h i e v e o v e r - t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n a u d i oa m p l i f i e rc h i pt y p i c a l l yr e q u i r eh i g hl i n e a r i t yt oa c h i e v et h e b e s ts o u n de f f e c t s t 1 1 i sp a p e rd i s c u s s e sa n dc o m p a r e st h r e ec o m m o n l yu s e di nl o w e rp o w e r a m p l i f i e rn o n l i n e a rd i s t o r t i o n ( t h d ) o f t h et e c h n o l o g ya n ds u m m a r i z e st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h e s et e c h n i q u e s t 1 1 i sp a p e rd e s i g n sap o w e ra m p l i f i e ri n c l u d i n gc l a s sa b o u t p u ts t a g e t l l i sd e s i g nr e d u c e st h et o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o no fa u d i op o w e ra m p l i f i e ra n d i m p r o v e st h es o u n de f f e c t so f t h ec h i pw i t h o u ti n c r e a s i n gt h ea d d i t i o n a lc i r c u i t r y i nt h i sd e s i g n ，a u d i oa m p l i f i e rc h i pd i v i d e di n t of o u rm a i np a r t s ：t h ep o p - c l i c kb l o c ki s u s e dt og e n e r a t et h es t a b l eb y p a s sv o l t a g ea n dr e d u c et h ep o p - c l i c kn o i s ef o rt h ec h i p t h e b a n dg a pb l o c ki su s e dt og e n e r a t et h eb i a sv o l t a g ef o ro t h e rb l o c k so fc h i p t t l et e m p e r a t u r e c o n t r o lb l o c ki su s e dt om o n i t o rt h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r eo fp o w e ra m p l i f i e rw o r k i n g , a c h i e v i n gt h eo v e rt e m p e r a t u r ep r o t e c t i o nf e a t u r e 1 1 1 ep o w e ra m p l i f i e ri su s e dt oa m p l i f yt h e i n p u ta u d i os i g n a la n dg e n e r a t et h ed i f f e r e n t i a ls i g n a l t i l i sd e s i g ni ss i m u l a t e dw i t hc s m s2 p 6 mt e c h n o l o g y , a n dt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n s h o wt h a tt h i sd e s i g nc a nr e a c ht h ed e s i g np e r f o r m a n c ee x p e c t a t i o n s k e y w o r d s ：l o wh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，h i g hg a i n ，p o p c l i c k , b r i d g es t r u c t u r e 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s 臼a c t i i 第一章绪论l 1 1 课题的研究背景及意义l 1 2 本论文的安排2 1 3 本章小结。2 第二章功率放大器的原理4 2 1 功率放大器的基本结构4 2 1 1电源效率。4 2 1 2a 类功率放大器4 2 1 3b 类功率放大器6 2 1 4a b 类功率放大器7 2 2 功率放大器的主要性能指标8 2 2 1 输出功率9 2 2 2 频率响应9 2 2 3信噪比9 2 2 4 电源抑制比。9 2 2 5 总谐波失真9 2 3 谐波失真降低技术l o 2 3 1 预失真技术1 0 2 3 2 前馈技术11 2 3 3反馈技术1 l 2 4本章小结13 第三章音频功率放大器设计实例1 4 3 1 本设计的具体要求1 4 3 2 本设计实例的总体结构1 4 3 2 1 p o p c l i c k 模块1 5 3 2 2带隙基准2 0 3 2 3 温度控制电路2 3 3 3 本章小结3l 第四章总结3 2 参考文献3 3 致 射3 5 第页武汉科技大学硕士学位论文 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 随着现代电子技术的发展，集成电路的集成度越来越高，实现功能和使用范围也越来 越广【1 1 。尤其是近年来，便携式设备已逐渐成为市场的主流产品，随之而来的，是人们对 便携式设备的要求也逐渐提高。 音频功率放大器作为集成电路中，应用最为广泛的基本组件之一，已成为了p d a ， m p 3 m p 4 ，手机，笔记本电脑等各式便携式音频设备的必备部分【2 】。由于这些音频设备同 人的听觉系统直接相关，故而其内部使用的音频功率放大器的性能直接影响人们对其设备 的优劣认识，从而决定这些音频设备的产品竞争力。所以，针对音频功率放大器的性能要 求，进行电路设计并针对某些特定的使用环境，强化音频功率放大器的某一或某几个性能 特性，使其成为某种意义上的专用放大器，是当前的研究热点之一。 大家可以想象一下，当你通过手机与他人通话，或者通过m p 3 m p 4 欣赏一段美妙的 音乐，甚至是你在家通过家庭影院设备观看经典的影视大片时，如果这些设备中的音频放 大器的噪声较大，或是产生的谐波分量较多，那么你还能听清他人的话语，感觉到音乐和 影视带给你的快乐吗? 所以，在这一类的便携式电子产品中，人们注重的是音频放大器的 噪声和谐波失真方面的性能，设计者的目的在于设计一款输出功率适中，有较低输出噪声 和较低的总谐波失真( t h d ) 、较长的电池使用寿命、较低的直流功耗、较小的芯片面积 以及较低的设计成本的音频放大器芯片。 仍然是音频放大器芯片，假如其应用在公共广播类的电子设备中，上面的性能要求就 不再合适了。这是因为公共广播类的电子设备一般具有多个输出负载且每个输出负载都较 大，如果应用其中的音频放大器的输出功率较低，那么音频放大器很可能无法驱动全部的 输出负载或者每个输出负载都没有被完全驱动，此时我们所昕到的声音将十分微弱，甚至 是听不到声音。对于这一类的电子产品而言，音频放大器的输出功率才是人们关心的重点。 设计者的目的在于设计一款输出功率足够大，能完全驱动全部负载的音频功率放大器，而 放大器的电池使用寿命和直流功耗则不是设计者考虑的重点。至于放大器的输出噪声和谐 波失真方面的性能要求相对前面所说的便携式设计而言则相对较低，一般只要求输出噪声 和谐波失真不会影响放大器的的正常输出信号就可以了。 从目前市场上的各类产品来看，音频功率放大器总体上可以分为数字和模拟两类。这 是根据功率放大器所使用的放大机制不同而决定的。其中，数字放大器是先将输入音频信 号转换得到数字脉冲信号，再由这个脉冲信号去控制大功率开关器件的断开闭合，利用的 是m o s 管的开关特性【3 】【4 】；而模拟功率放大器是直接对输入音频信号进行幅度上的放大， 在工作期间要求m o s 管工作在线性放大区。模拟功率放大器又可以根据的其m o s 管的直 流工作点的不同而进一步分成a 类、b 类、a b 类、c 类等各种类型卯。 a 类功率放大器的直流工作点处于负载线的中心，输出信号的完整性是其它几类模拟 放大器所无法达到的。与之相对的，a 类功放的耗电量也是几类模拟功放中最大的。所以 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 a 类功放一般用于要求具有极高的信号完整性的音频系统中。 b 类功率放大器的直流工作点则处于负载线的边缘。b 类功率放大器在功耗上较a 类 减小了很多，但这是以降低功放的输出信号质量为代价的。所以b 类功放一般用于比较中 档的产品中。 a b 类功率放大器的直流工作点处于a 类和b 类的中间，所以这类功放结合了a 类和 b 类功放各自的特点，能同时达到较高的输出信号质量和较低的直流功耗。 c 类功率放大器的直流工作点相对b 类而言更为靠近负载线的边缘，m o s 管导通时 间更短。c 类功放在输出信号的质量上，比b 类功放更差。但是c 类功放可以提供大于 7 8 5 的功率转换效率，故而多半用于射频系统t 6 1 。 以上所介绍的几类功率放大器都具有各自的优缺点，所以它们常被用于不同的系统 中。目前而言，a b 类功率放大器和d 类功率放大器各自占据了一半的市场【7 1 。对于a b 类功放而言，国家半导体公司推出的l m 4 8 9 0 就因为具有低静态电流、低谐波失真( 0 1 ) 、 高输出功率的特点在市场上占据主导地位；而德州仪器( t i ) 公司推出的t p a 6 2 0 3 a 1 在 输出功率为l w ，负载电阻为8 q 的情况下，谐波失真仅为0 0 6 。对于d 类功放而言， 德州仪器( t i ) 生产的t p a 2 0 1 0 d 1 、t p a 2 0 1 2 d 2 和y a m a h a 公司生产的y d a l 4 4 、 y d a l 4 5 4 都是目前充斥在市场上的d 类功率放大器的代表。以德州仪器的t p a 2 0 1 0 为例， 其电源效率可以达到8 7 ，要远远高于a b 类功放在同等条件下的值。同时，其总谐波失 真最低可以达到o 2 ，在输出信号质量上接近了a b 类功放【8 】。 本论文旨在不改变音频功率放大器基本结构的基础之上，设计一款新的用于便携式电 子设备的功率放大器芯片，使其能具有较高的输出功率、更高的稳定性、较低的噪声、较 低的谐波失真( t h d ) 和更短的建立时间。此外，我们所设计的芯片还要具有低功耗关断 功能和过温保护功能。 1 2 本论文的安排 本论文的主要内容是论述音频功率放大器的设计理论和具体电路，并给出全部电路在 c s m c0 5 u m 工艺下的仿真结果。本论文的章节安排如下： 第一章，介绍课题的研究背景和意义、当前市场上常见的放大器类型以及本课题的研 究目的。 第二章，对几种常用的音频功率放大器的电路结构进行了分析比较，根据比较结果确 定本设计所使用的电路结构。此外，还对音频功率放大器的性能指标进行了介绍，并讨论 如何减小功率放大器的谐波失真。 第三章，在前一章理论分析的基础上，给出了本设计的总体结构，并详细论述了各部 分电路的原理和设计要点，最终给出在c s m c0 5 u m 工艺下电路的仿真结果。 第四章，对本设计所涉及的理论知识以及设计过程中出现的问题进行总结。 1 3 本章小结 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 本章首先介绍了课题研究的背景和意义，对当前市场上音频功率放大器结构进行介 绍，明确指出课题研究的目的。最后介绍了本论文各个章节所涉及的大致内容。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 功率放大器的基本结构 第二章功率放大器的原理 功率放大器可以根据输出级m o s 管所处的工作状态分为a 类、b 类、a b 类、c 类和 d 类等等【9 】。本论文将在下面的章节中逐一予以分析。 从导通时间来看，这几类功率放大器最显著的特征分别为：a 类放大器的m o s 管在 整个周期内都导通，b 类放大器的m o s 管只导通半个周期，a b 类放大器m o s 管导通时 间介于半个周期和一个周期之间以及c 类放大器的m o s 导通时间小于半个周期【l o 】。 在分析以上诸类功率放大器的电路结构和适用范围前，先向大家介绍一个用于评价功 率放大器性能的重要参数电源效率，一般以符号1 1 表示。 2 1 1 电源效率 电源效率的定义如式( 2 1 ) 所示【l l 】： ，72 急q 0 0 ( 2 1 ) 式中，p o 表示放大器的输出功率，可通过计算放大器负载上消耗的瞬时功率得到； d d 表示放大器电源提供的总功率。 实际上，放大器的瞬时输出功率不可能保持为一个固定值。所以，一般以输出功率在 一个周期t 内的平均值来计算放大器的电源效率。我们将负载的平均输出功率定义为【1 2 】： 已= ：1f p o 埘d t ( 2 2 ) 通过上面的叙述，我们已经得到放大器电源效率的计算公式，下面将对各类功率放大 器进行详细论述，并计算各类放大器的电源效率。 2 1 2a 类功率放大器 a 类放大器的直流工作点处于输出级m o s 管线性放大区的中心，当正弦信号作为输 入信号时，m o s 管在输入信号的整个周期内都处于导通状态。典型的a 类放大器的电路 如图2 1 所示。 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 ： ： - 。一 v 哺略 图2 1a 类功翠放大器 下面将计算图2 1 所示的a 类放大器的电源效率。在图2 1 中，电阻吼作为负载，假 设输出信号为= a s i nw o t ，则负载上消耗的功率为 = 譬 ( 2 3 ) 正弦信号的幅度有效值等于信号振幅a 的夕么，所以负载上消耗的平均功率为： 匕= 圭鲁 c 2 q 由电源提供的瞬态电流等于晶体管的静态电流乇加上负载电阻上流过的瞬态电流： ，删= i q + 线s i n w o f ( 2 5 ) 根据功率的计算公式，电源所提供的瞬态功率为： p v o o = 幸，鲥 ( 2 6 ) 对上式在一个信号周期内求积分，可以得到电源所提供功率的平均值【1 3 】： 鼻。) 脚= 芴1f 8 ( i 俐) d w t = 芴1 r 4 ( 乇+ 上s i n f 肌= 幸，q ( 2 7 ) 由式( 2 1 ) 可得，在一个周期内，a 类放大器的电源效率为 1a 2 刁：型l 1 0 0 ( 2 8 ) 玎= 一u u 了，o 二o ， y d d l i q 理论上，当放大器的直流工作点正好处于线性放大区的中点时，输出信号能获得最大 的电压幅度，即彳嘲= 去。另一方面，由于直流工作点处于线性放大区的中点，则 吼，q = 去。带入式( 2 8 ) ，得到a 类放大器的电源效率最大可达2 5 。 但是，在实际中，放大器的输出信号不可能达到最大摆幅，所以实际工作中的a 类放 大器的鼠源效率耍低于2 5 。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 3b 类功率放大器 b 类功率放大器由两个互补的晶体管组成，如图2 2 所示【1 4 】。同a 类放大器不同，b 类放大器的直流工作点处于线性放大区的边缘。当没有输入信号时，两个晶体管都处于截 止状态，几乎不消耗直流功率。当输入信号处于正半周时，晶体管q l 导通，q 2 截止；同 理，当输入信号处于负半周时，晶体管q 2 导通，q l 截止。在输入信号的一个周期内，晶 体管q 1 、q 2 交替处于导通状态，各自实现半个周期内的信号放大功能，从而减小放大器 的直流功耗【1 5 】。 v 叩 图2 2 b 类功率放大器 下面来计算b 类放大器的电源效率。仍然假设放大器的输出信号为= a s i nw o t ，则 放大器的平均输出功率为 只= 三等 ( 2 9 ) 假设在输入信号的正、负半周期内，晶体管q l 、q 2 的工作状态相同，则每个半周期 内，负载上的平均输出电流为 l = 昙r ( s i n 州撕= 三 ( 2 1 0 ) 在一个周期内，电源提供效率为 p ( a v ) v d d = 篆宰 ( 2 1 1 ) 电源效率为 1a 2 驴甄- s 、l q 0 0 q j 2 另一方面，由于b 类放大器的直流工作点处于放大区的边缘，则输出电压的最大幅度 可以达到彳。，= d 。在此情况下，b 类放大器的最大电源效率约为 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 7 7 一= 4 * 1 0 0 7 8 5 。 可以看出，b 类放大器相较于a 类放大器而言电源效率大大提高。但是，由于b 类放 大器需要两个互补晶体管交替导通工作，那么当输入信号的大小不足以使两个晶体管中的 任一个导通时，两个晶体管都处于截止状态，此时放大器没有输出，从而会造成比较大的 失真，这种失真称为“交越失真f 1 6 1 。 2 1 4a b 类功率放大器 为了使放大器能同时具备a 类放大器和b 类放大器的优点，人们提出了a b 类功率放 大器，如图2 3 所示。a b 类功率放大器同样使用一对互补的晶体管，利用它们交替导通来 实现放大功能。但是a b 类放大器晶体管的交替导通时间处于一个周期和半个周期之间。 也就是说，当输入信号为o 时，a b 类放大器的互补晶体管不是处于截止状态，而是处于 微导通状态。这样，既可以有效的减少因互补晶体管的交替导通而导致的“交越失真”。同 时，由于在整个周期范围内，晶体管并不是一直导通的，这就降低了晶体管的直流功耗， 从而增大了放大器的电源效率【l 。 v m v l n 2 1 5c 类功率放大器 图2 3 a b 类功率放大器 i c ji 广 l 一 0 2 | c 类功率放大器晶体管的直流工作点处于截止点以下，导通时间小于半个周期，图2 4 描述了c 类功率放大器的工作状态。如图所示，只有输入信号比较大时，晶体管才能导通， 提高了电源效率。但是导通时间的减小增大了放大器的失真，所以c 类放大器常用于射频 放大。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 l 入 ，、，、 r ，、，、 l 一一 一一j 一 、， 、， 、， 、， 、 ， 、， 2 1 6d 类功率放大器 图2 4 c 类功率放大器 d 类功率放大器又称为数字功率放大器，采用p w m 或者p d m 方式，放大器内的晶 体管处于开关状态。没有信号输入时，晶体管无电流：晶体管导通时，晶体管几乎没有直 流损耗，其电源效率可以达到8 0 以上，是这几种功率放大器中效率最高的。 d 类功率放大器在工作时，首先将模拟输入信号转换为p w m ( 脉冲宽度调制) 或者 p d m ( 脉冲密度调制) 的脉冲信号，再利用p w m 或p d m 的脉冲信号去控制开关电路的 导通或者断开。d 类放大器由模拟数字( a d ) 转换电路、脉冲信号形成电路、开关电路 和低通滤波器等部分组成。 虽然d 类功率放大器的效率是这几种功率放大器中最高的，但是其设计复杂度和设计 成本都制约了d 类功率放大器的快速发展。 通过以上的分析论述我们了解到：从电源效率方面来看，a 类放大器的电源效率最低， a b 类次之，d 类放大器的最高；从信号失真度方面来看，a 类的输出信号质量最好，d 类放大器次之，c 类放大器的输出信号质量最差。综合考虑电源效率和信号失真度，a b 类和d 类放大器能同时在这两个方面获得较好的性能，是当前音频功率放大器的主流设计 结构。 2 2 功率放大器的主要性能指标 上一节，本论文分析了几类常用的功率放大器，并比较了这几类功率放大器在电源效 率和信号失真度两个方面的性能。下面，本文将介绍用于衡量功率放大器性能的主要参数。 用于衡量音频功率放大器性能的参数可以分为两个部分：静态参数和动态参数。静态 参数是指以稳态正弦波进行测量所得到的参数，具体包括输出功率、频率响应、信噪比和 谐波失真等；动态参数是指用复杂的非稳态信号进行测量所得到的参数，具体包括相位失 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 真，瞬态响应等【1 8 1 。 2 2 1 输出功率 输出功率表示了一个功率放大器对负载电路的驱动能力。输出功率越大，表明其所能 携带或者驱动的负载电阻越大。一般而言，功率放大器的产品上都会注明该放大器在额定 负载下输出功率大小。 2 2 2 频率响应 频率响应是衡量功率放大器交流性能的重要指标。通过频率响应，设计者可以确定功 率放大器带宽、直流增益、相位偏移等情况。对大部分的音频放大器而言，只要保证放大 器的带宽达到2 0 k h z 就能保证音频放大功能的实现。但是由于信号中还存在频率较高的谐 波分量，为了提高放大器的性能，一般都要求音频放大器具有更大的带宽，例如1 0 0 k h z 。 2 2 3 信噪比 信噪比( s n r ) 对于音频放大器而言，是指放大器输出模拟信号中有用信号成分和噪 声成分的电压比值，常用分贝数来描述。一般来说，信噪比越大，说明输出信号中混有的 噪声分量越少，声音的回放质量越好。对于普通的音频放大器而言，信噪比一般要求在7 0 d b 以上。 2 2 4 电源抑制比 电源抑制比( p s i 汛) 描述功率放大器对电源噪声的抗干扰能力。p s r r 被定义为功率 放大器输入端到输出端的增益与功率放大器电源电压上的纹波( 即噪声) 到输出端的增益 之比。一般都要求p s i 汛越高越好，以达到较高的抗电源噪声能力。 2 2 5 总谐波失真 总谐波失真产生的原因是放大器本身的非线性特性【1 9 1 。理论上，放大器的输出信号同 输入信号的频率应该是相同的。但是，由于放大器本身的非线性，放大器的输出信号中总 会包含有输入信号中不存在的频率成分。这种失真现象，统一用“总谐波失真”( t h d ) 来 进行衡量。 总谐波失真的大小可以通过计算各次谐波信号之和的均方根与基波信号的百分比【1 9 】 来进行衡量，如式2 1 3 所示。 厂- = = _ 一 删d = 吁+ 吩+ + 砰k 1 0 0 ( 2 1 3 ) 式中，( n = 2 ，3 ，n ) 表示放大器输出的各次谐波分量，k 表示输出的基波分量。 总谐波失真越小，表示因为放大器非线性所产生的谐波分量越少；各次谐波分量的幅 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 度越小，表示基波分量在输出中所占的比重越大。为了得到最好的输出质量，要求音频功 率放大器的总谐波失真越小越好。 放大器的总谐波失真与输入信号的频率和输出功率有关。当输出功率达到最大值时， 总谐波失真也达到最大。这是因为输出功率达到最大，那么输出信号的幅度也达到最大值， 此时晶体管容易出现“削波失真”，从而增大了放大器的总谐波失真。 2 3 谐波失真降低技术 本课题研究的重点在于设计一个低谐波失真的音频放大器。下面将分别介绍几种常见 的降低放大器总谐波失真的技术。 在此之前，先让我们来详细的了解谐波失真产生的原因。正如前文所述，放大器的非 线性导致了谐波失真的产生。引起放大器非线性的原因又大致分为两种：一是构成放大器 的晶体管自身的非线性；二是放大器的直流工作点设置不当导致放大器没有工作在线性放 大区【2 0 】。根据上面的分析，可以得到一个推论降低放大器谐波失真的方法就是扩大放 大器的线性度范围，使功率放大器线性化。下面对几种常用的扩大放大器线性范围的技术 予以分析。 2 3 1 预失真技术 预失真技术是一种简单且易于理解的功率放大器线性化技术【2 l 】。从理论上说，预失真 技术的核心思想就是在功率放大器之前，人为的加入一部分电路，称为“预失真电路”。预 失真电路的非线性特性同功率放大器的非线性特性相反，从而对功率放大器的非线性特性 进行补偿，两者共同作用最终得到线性的放大结果，如图2 5 所示。预失真技术常常用于 开环系统中，同时由于预失真技术的实现简单，成本低廉，所以被广泛应用于各种领域。 预失真电路卜- j 丛一 理想情况 v i 一 图2 5 预失真技术原理图 预失真技术一般可以分为数字预失真技术和射频预失真技术。数字预失真技术是采用 数字逻辑的方式来实现，这种方法要求设计者对功率放大器的非线性特性十分熟悉。射频 预失真技术则是指在射频功率放大器之前插入模拟预失真电路，针对不同的输入信号，控 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 制预失真电路的幅频特性和相频特性，来弥补射频功率放大器的自身的非线性失真【2 2 1 。 从上面的分析可以看出：在预失真技术中，设计者所插入的预失真电路的控制幅度或 者频率响应都是预先设定好的。这就要求设计者要对自己设计的放大器的非线性特性十分 了解。同时随着使用时间的增加，工作环境的变化，设备的老化，预失真电路的传输曲线 将会发生变化，此时预失真技术的线性化效果将会降低，甚至还有可能会导致更大的非线 性【2 3 1 。 2 3 2 前馈技术 早在十九世纪八十年代贝尔实验室的h s b l a c k 就提出了前馈线性化技术 2 4 1 。但是， 由于前馈技术的实现较为复杂，在当时并没有受到人们的重视，直到十九世纪六十年代， 随着功率放大器的带宽日益增加，前馈技术才开始得到研究和发展。现在，前馈技术已经 在高频通信系统中得到了广泛应用。 如图2 6 所示，采用前馈技术的放大器分为“环1 ”和“环2 ”两个部分。环l 又被称为“信 号消除环路”，由主功率放大器p a 和延时单元d e l a y 组成。主功率放大器p a 即是我们 要进行线性化的放大器。输入信号在环1 被分为两路一路是p a 产生的输出信号k ， 由于p a 的非线性特性，输出信号k 包含基波分量和谐波分量两个部分。一路是输入信号 经由延时单元产生的参考信号圪雕。环2 又被称为“误差消除环路”，包含辅助放大器和延 时单元两个部分。p a 的输出信号k 通过衰减器后得到信号，k 与参考信号盯相减得 到误差信号胖。由于参考信号肼是输入信号的延时只包含输入主频成分( 基波) ，所 以误差信号脚中只剩下了由p a 非线性特性产生的谐波成分。误差信号经由辅助放大器 放大后，与信号巧延时得到的信号以相减，得到最终的输出信号腰。由于信号k 中包含 的谐波成分已与误差信号相抵消，所以输出信号厅中只剩下输入信号中的线性放大成分 【2 5 】【2 6 】【2 7 1 。 2 3 3 反馈技术 辅叻燃 图2 6 前馈技术原理图 反馈技术同前馈技术出现在同一时期。反馈技术一经提出，就以实现简单、成本低廉 的特点得到了广泛应用。反馈技术的思路是将输出信号订反馈回放大器的输入端，并与 输入信号相比较得到误差信号，误差信号胛用于降低功率放大器的谐波失真。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 反馈技术的基本原理如图2 7 所示【2 8 】。 图2 7 反馈技术原理图 同前馈技术相反，反馈技术的误差信号是直接加到主放大器输入的。假设没有反馈时 输出信号盯= a y 木+ 心，其中表示由主放大器非线性所产生的谐波分量。根据图 2 7 ，可以得到： k = 一w = 一( a v 宰+ k ) ( 2 1 4 ) v o 盯= a p ( 1 一脚y ) 一+ ( 2 1 5 ) 上式经过整理变形得到： 1 一丹 = a v 掌+ 昔 ( 2 1 6 ) l p a r 从式( 2 1 6 ) 可以看出，主放大器的输出信号中含有的谐波成分在反馈后减小为原来 1疗 的等倍。假如主放大器的增益远远大于反馈系数( a y ) ，则谐波分量减小的 l p a r 倍数可简化为a y 。可以看出，反馈技术在保证输出信号中线性放大部分( 4 宰) 不变 的情况下减小了输出信号中的谐波分量，降低了放大器的总谐波失真。 反馈线性化技术主要分为被动负反馈和自适应负反馈。被动负反馈的反馈系数是固 定的，自适应负反馈的反馈系数是根据输入信号的不同而变化的。现在常用的反馈线性化 技术主要有：极坐标反馈、线性包络反馈和笛卡尔反馈【2 9 1 。 前文已经分析了三种常用的功率放大器线性化技术，现在让我们来对这三种技术进行 比较以确定哪种技术适用于本论文所设计的音频放大器芯片。预失真技术结构简单、实现 方便、集成度高，尤其是射频预失真技术，只要将几个简单的元件进行组合就可以搭建出 一个预失真电路。但是，预失真技术只能在一定的范围内对放大器的非线性特性进行改进， 而且随着环境的变化，预失真电路的稳定性将逐步降低。前馈技术的优势在于：1 ) 可以 极大的改善放大器的线性度；2 ) 在工作频率内不会降低放大器的增益，3 ) 辅助放大器仅 处理误差信号，降低了辅助放大器的功耗。但是，前馈技术的结构复杂，对于添加的辅助 放大器要求严格，实现较为困难【3 0 1 。前馈技术主要是针对射频放大器的线性化要求。反馈 技术的结构简单，但是反馈技术改善放大器线性度是以牺牲功率放大器的增益为代价的， 同时为了降低放大器谐波失真还要求反馈系统的带宽要大于主放大器的带宽。 本研究的目标是设计一款用于音频的功率放大器电路，同时要求电路能尽量简单，所 以综合比较上述三种线性度技术后，本设计确定采用反馈技术来改善功率放大器的线性 度。虽然反馈技术要求反馈系统的带宽大于主放大器的带宽，但是考虑到主放大器的频带 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 要求并不高( 2 0 2 0 k h z 左右) 。此种情况下，很容易就能达到反馈系统的频带要求。 2 4 本章小结 本章分析比较了几种常见的功率放大器的结构，并给出了一些常用的衡量功率放大器 的性能参数。最后详细论述了放大器谐波失真的产生原因，得出通过扩大功率放大器的线 性度来达到降低放大器总谐波失真这一目的的推论。详细讨论了预失真技术、前馈技术和 反馈技术这三种放大器线性化技术各自的工作原理。在此之后，通过比较这三种技术的优 缺点和适用范围，确定本设计将采用反馈技术来改善功率放大器的线性度，降低总谐波失 真。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章音频功率放大器设计实例 在第二章里，本论文叙述并比较了几类常用功率放大器的结构和特点，还简略介绍了 一些常用的衡量功率放大器的性能参数。这一章将根据本设计的具体要求，确定设计方案 并给出具体电路和仿真结果。 3 1 本设计的具体要求 本设计的目的在于设计一款高增益、低噪声和低谐波失真的双通道音频功率放大器。 此外，还要求所设计的音频放大器能实现低功耗状态控制和温度控制功能。本设计所要求 的性能指标具体如下： 供电方式：单电源供电，电源电压为5 v 工作温度范围：4 肚1 0 0 芯片提供过温保护功能，当温度高于1 4 0 时，关断放大器的直流偏置；当温度 低于1 2 0 时，放大器重新开始工作 芯片能实现电源管理功能，当输入“s h u t d o w n 信号为低电平时，芯片处于低功 耗关断模式；当输入“s h u t d o w n 信号为高电平时，芯片处于正常工作状态 静态直流电流：约为l m a ，不超过1 2 m a 输出功率：在8 f l 的额定负载条件下，输出功率为1 w 放大器直流增益：大于1 2 0 d b 放大器3 d b 带宽：大于2 0 k h z 放大器电源抑制l b 大于6 0 d b 放大器共模抑制l b 大于7 0 d b 3 2 本设计实例的总体结构 从本设计的具体要求可以看出，本设计可以大致分为4 个部分： 1 ) 带隙基准电路：用于产生整个音频放大器中全部电路的直流偏置。 2 ) 温度控制电路：用于实现温度控制功能。音频放大器在工作过程中会不断的产生 热量，引起环境温度的升高。为了防止因为温度过高而导致的电路损坏，设计中加入温度 控制电路用以随时监测环境温度，并在环境温度过高时自动关断音频放大器，实现过温保 护功能。 3 ) p o p c l i c k 电路：用于消除音频放大器在上电断电过程中的p o p c