（微电子学与固体电子学专业论文）d类音频功率放大器设计.pdf

摘要 ， i 由于d 类音频功率放大器与传统的模拟功放相比，具有体积小，效率高，低 失真：大功率的特点所以具有广阔的发展前景。 它是本i c 设计中心一直进行研究的项目，到现在为止，已经设计并制造出 了三种样机，样机一是传统的d 类音频功率放大器，由脉宽调制电路、驱动电路、 功率输出电路、滤波电路四部分构成。样机二对样机一进行了改进，提出了新的 驱动级和功率输出级结构，去掉了滤波电路。样机三可以直接与数字音频设备的 输出端相接，这样，d 类功放即成为了“数字功放”，对于样机三，我们已经实 现了单片集成。 d 类放大器包括脉宽调制器和输出级。在本文里，分析了输出级的工作原理， 并且提出了新的输出级结构，它是简单且有效的。并对放大器的各个模块包括放 大电路、比较器电路、三角波产生电路、驱动电路、功率输出级电路、过流保护 电路、过温保护电路、欠压保护电路、电平位移电路、接口电路、检测和关断模 式控制电路、接口电路等进行了设计和仿真，且达到了预先设定的指标。同时 对有滤波和无滤波的d 类放大器的静态电流进行了测试，论证了无滤波电路的可 行性，提出了去掉滤波电路后的种种问题及相应的解决方法，包括可能变化的性 能参数。在集成电路的设计部分，为了进一步提高效率，提出了新的驱动结构； 为了实现大功率，即在高的电源电压下也能工作，提出了新的电平位移电路。在 以上研究的基础上，我们构建了模拟d 类功率放大器的总体电路并对其进行仿 真。最后对于d 类放大器后级版图设计中的寄生参数问题进行了分析并提出了切 1 实可行的解决方法。y ， j 本文首先介绍了声音的基本特性、音响放大器的技术指标、放大器分类和d 类放大器的工作原理，比较了a d 类调制方案和肋类调制方案的特点，接着介绍 了本设计中心设计的三种样机方案并作了一定的测试，最后从单片集成的角度对 。_ i _ _ _ _ 一 d 类音频放大器电路的各个模块进行了电路设计及仿真，对后级电路进行了版图 _ _ _ - - _ 一 设计，并完成了数字音频功放的测试工作。 关键词：d 类放大器脉宽础0 驱动 功率输尚级 乙 v a b s t i 认c t c o m p a r e dw i t ht 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 ec l a s sda m p l i f i e r p o s s e s s e sl a r g ed e v e l o p m e n t a lf o r e g r o u n d t h er e a s o ni st h el a t e rh a s s e v e r a lc h a r a c t e r s ，s u c ha ss m a llv o l u m e ，h i g he f f i c i e n c y ，l o wd i s t o r t i o n a n dh i g hp o w e r t h i sp r o j e c ti sr e s e a r c h e di ni cd e s i g nc e n t e ro fu e s t c u n t i l ln o w t h e r ea r et h r e ep r o t o t y p ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d i nt h ea ll ，t h ef i r s t i st h et r a d i t i o n a la u d i o p o w e ra m p l i f i e r ，i n c l u d i n gp u l s e w i d t h m o d u l a t i o nc i r c u i t 、d r i v e rc i r c u i t 、p o w e ro u t p u tc i r c u i t 、f i l t e r c i r c u i t 。 i m p r o v e du p o nw h i c ht h es e c o n do n ei sg i v e nan e wd r i v ea n dp o w e ro u t p u t s t a g es t r u c t u r ea n de l i m i n a t e dt h ef i l t e rc i r c u i t t h et h i r di sa t t a c h e d t ot h e o u t p u t o f d i g i t a la u d i of a c i l i t i e s a n di sa “r e a l d i g i t a l a m p l i f i e r ”，w h i c hh a sb e e ni n t e g r a t e di n t oo n e - c h i p ac l a s sda m p l i f i e rc o m p r i s e sap u l s ew i d t hm o d u l a t o ra n da no u t p u t s t a g e i nt h i sp a p e r ，w ea n a l y z et h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fo u t p u ts t a g e a n dp u tf o r w a r dan e w o u t p u ts t a g es t r u c t u r e ，w h i c hi ss i m p l ea n de f f i c i e n t w ed e s i g na n ds i m u l a t ee v e r yb l o c ko ft h ea m p li f i e ri n c l u d i n ga m p li f i e r c i r c u i t 、c o m p a r a t o rc i r c u i t 、t r i a n g l ew a v eg e n e r a t i n gc i r c u i t 、d r i v e r c i r c u i t 、p o w e ro u t p u ts t a g ec i r c u i t 、o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t 、 o v e r h e a t p r o t e c t i o nc i r c u i t ，l o wv o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t 、l e v e l s h i f t i n gc i r c u i t 、c h e c ka n dm e a s u r ea n ds h u t d o w nm o d ec e n t r e lc i r c u i t 、 i n t e r f a c ec i r c u i ta n ds oo n a tt h es a l n et i m e t h e f e a s i b i l i t yo f e l i m i n a t i n gt h ef i l t e ri sd e m o n s t r a t e d a n dt h eq u i e s c e n tc u r r e n to fc l a s s d a m p l i f i e rw i t h t h e l o w p a s s f i l t e ra n df i l t e r l e s s a p p l i c a t i o n i s m e a s u r e d ，t h e n p r o b l e m sa n d p e r f o r m a n c e 1 e v e la b o u tt h ef i l t e r l e s s a p p l i c a t i o n sa r ec o n s i d e r e d i nt h ed e s i g no fi c i no r d e rt oi m p r o v em o r e t h ee f f i c i e n c y ，n e wd r i v e rc i r c u i ti sg i v e n a n df o rr e a l i z i n gt h eh i g h p o w e r 一一h i g hs u p p l yv o l t a g e ，n e wl e v e ls h i f t i n gc i r c u i ti sp u tf o r w a r d b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h i n g ，w ec o n s t r u c ta n ds i m u l a t et h eo v e r a ll c i r c u i to fa n a l o gc l a s sdp o w e ra m p l i f i e r f i n a l l y ，t h ep a r a s i t i c a l p a r a m e t e rp r o b l e mo fp o s ts t a g el a y o u t i sa n a l y z e da n ds o l v e d t h i sp a p e ra tf i r s ti n t r o d u c e sb a s i cc h a r a c t e ro fs o u n d ，t e c h n i c a l i n d i c a t o ro fa u d i oa m p l i f i e r s ，c l a s s i f yo fa m p l i f i e r sa n dp r i n c i p l eo f c l a s sda m p l i f i e r a n dc o m p a r e sa dp w ms c h e m es p e c i a l t yw i t hb d t h e ni t p r e s e n t st h r e ep r o t o t y p e sa n dt h e i rt e s td a t a f i n a ll y ，f r o mt h ep o i n t o fv i e wo fi n t e g r a t i o no fo n ec h i pc i r c u i td e s i g na n ds i m u l a t i o nd a t ao f c l a s sd a u d i o a m p l i f i e r se v e r y b l o c ka r e g i v e n ，s o d o l a y o u t o f p o s t c i r c u i ta n df i n i s ht h et e s tw o r ko fd i g i t a la u d i op o w e ra m p l i f i e r k e y w o r d s ：c l a s sda m p l i f i e r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n d r i v e rp o w e ro u t p u ts t a g e 附件三 独创性声明 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。据我所知，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 为获得电子科技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： 盏送生日期：跏年争月歹。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：矗毯垒导师签名： 日期：汕；年彩月3 0 日 第一章引言 低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。模拟功率放大器 通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但大功率和 高效率一直没有很好的解决。工作在开关状态下的d 类功率放大器却很容易实 现，大功率，高效率，低失真。 传统的音频功放工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线 性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但 在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁。功率输出受到限制。此外， 模拟功率放大器还存在以下的缺点： 1 电路复杂，成本高。常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保 护电路，体积较大，电路复杂。 2 效率低，输出功率不可能做的很大。 d 类开关音频功率放大器的工作基于p w m 模式：将音频信号与采样频率 比较，经自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的p w m 波，然 后经过驱动电路，加到功率m o s 的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将 放大的p w m 送入滤波器，则还原为音频信号。 d 类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达1 0 0 ，实际的运用也可达 8 0 以上。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸， 连续输出功率很容易达到数百瓦。功率m o s 有自保护电路，可以大大简化保护 电路，而且不会引入非线性失真。 对于高电感的扬声器，在设计电路时，是可以省去低通滤波器( l p f ) ，这 样可以大大的节省体积和花费。而且有更高的保真度，这一点，在国外的5 v d 类功率放大器中已经开始运用，如：t e x a s 公司的t p a 2 0 0 2 d 2 。同时，在我们 所做的样机也得到了验证。 在原有样机里，采用了集成块也1 1 0 作为功率驱动部分，静态电流较大， 功率输出部分，采用了n 沟功率m o s 晶体管，及全桥输出，使得电路中必须有 死区校正电路部分和自举电容，我们采用了内部逻辑结构为倒相器链的t p s 2 8 1 l 作驱动，功率输出级采用对管。去掉了自举电容和死区校正。使得调制频率可以 达到i m , 为我们的第三个样机提供了切实可行的后级电路方案。 我们的第三个样机前端是数字信号处理部分，可以直接与数字音频设备的输 出端相连，后端直接就是驱动与功率放大，实现了数字化功率放大器。大大减少 了由于系统反复多次a d ，d a 转换带来的损失和失真提高了系统的综合性能。 而且体积小，重量轻，省能耗，而且无需加反馈。最终我们实现了对第三种方案 第1 页共6 8 页 的单片集成。 近年来，国外的公司对d 类功率放大器进行了研究和开发，提出了一些方案， 但是尚存在了较大的难度，由于采用p w i v l 方式，为了提高音质，降低失真，必 须提高调制频率，但是在较高频率下，会产生一定的问题，同时，d 类功率放大 器对器件的要求较高，不利于降低成本。 第2 页共6 8 页 电子科技大学硕士论文 第二章音响的基础知识 2 1 声音的基本特性 音量：它与声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音 响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听音的主观感觉 音调：是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量“频 率”对应 人耳的听觉范围：2 0 h z 2 0 k h z 称之为可听声，低于2 0 h z 称为次声，高于 2 0 k h z 称为超声，人耳对3 k 4 k 的声音最敏感。 音色：又叫音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功放的偶次谐 波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳，清 丽。 2 2 音响的结构及参数 前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对各种节目源 信号进行选择和处理，对微弱信号放大到0 5 1 v ，进行各种音质控制，以美化 音色。功率放大器，承担放大任务，是将前置放大器输出的音频信号进行功率 放大，以推动扬声器发声。有电压放大，电流放大，要求是宏亮而不失真。 2 3 放大器的技术指标 1 额定功率：音响放大器输出失真度小于某一数值( r 2 3 对于v 。= 5 v ) ，功率耗散主要是短路电流引起的，对于非常大 的电容值，所有的功率耗散是由于对负载电容的充放电引起的，当输入和输出 的上升下降时间相等时，大部分的功率耗散是动态功耗，短路功耗只占很小一 部分( 小于1 0 ) 。 5 2 传输门 n m o s 传输门可以无损耗的传送低电平，但传送高电平会有阈值损失，p m o s 第2 6 页共6 8 页 电子科技大学硕士论文 传输门可以无损耗的传输高电平，但传送低电平会有阙值损失，c m o s 传输门正 是利用了 m o s 管和p m o s 管的互补性能，获得了比单个传输管优越的特性。 c i o s 传输门在电路中作为一个可控开关使用，一个理想的开关，断开后电 阻应无穷大，接通后电阻应趋于零，对c m o s 传输门，希望它截止时电阻尽可能 大，而导通后电阻应尽量小，应该接近线性。g m o s 传输门关断时，其电阻就是 m o s 晶体管截止态电阻，这个电阻虽然不是无穷大，但只要p n 结漏电和m o s 管 亚阙值漏电足够小，截止态电阻是很大的。c m o s 传输门接通时，其导通电阻由 n m o s 管和p m o s 管导通电阻并联组成。且变化很小。 由此可以解释第五章中功率输出级的设计 5 3 三态输出电路 三态输出电路o 有三种输出状态：有电流流出的输出高电平状态；有电流 流进的输出低电平状态；既不能有电流流出，也不能有电流流入的高阻态。 为了实现三态输出，可以用一个输出使能信号s h u t d o w n 控制电路的输出 级，当s h u t d o w n 信号为0 时，允许电路正常输出，当为1 时，使输出级处于高 阻态。 对于c m o s 集成电路来说，实现三态输出的方法很多，最简单的办法是用时 钟c m o s 反相器实现，把s h u t d o w n 信号作为控制时钟，如图5 - 1 所示。也可以 用传输门控制输出信号，如图5 2 所示。 一 图5 - 1 时钟c m o s 反相器实现三态输出 第2 7 页共6 8 页 图5 2 用传输门控制 实现三态输出 电子科技大学硕士论文 这两种电路虽然比较简单，但是输出驱动能力太差，因为上拉和下拉通路 都要经过两个管子串联。为了有较强的输出驱动能力，又实现三态输出，可以 用逻辑门控制输出级反相器，图5 3 所示就是c m o si c 中常用的三态输出电路。 图5 - 3 用逻辑门控制的三态输出电路 5 4 施密特触发器 5 4 1 施密特触发器 施密特触发器。是脉冲变换中经常使用的电路，它在性能上主要有以下两个 特点： 第一：输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入 信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同，低到高和高到低的开关闽值分别 称为v m + 和v m 一 第二：在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形变得很陡 第2 8 页共6 8 页 电子科技大学硕士论文 利用这两个特点可以将边沿变化很缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波。 5 4 2 o m o $ 施密特触发器 1 如图5 4 所示的电路的设计思想是基于c m o s 倒相器的开关阙值是由