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新型D类音频功率放大器设计

刘冬蒨  
【摘要】: D类音频功率放大器具有高效、节能、数字化、体积小、重量轻的特点,适应便携设备高效节能的客观需求,从而在音频模拟集成领域具有很大的优势。随着设计技术的不断进步,D类功率放大器的性能指标也逐步提高。本文通过分析基于CMOS工艺的D类音频功率放大器的构成、驱动实现、性噪比、失真度等方面的特性来进行电路的设计。本课题的研究目标是设计一种用于移动设备的D类放大器,既能提供高效率又能实现高音频性能。 通过查阅大量中外文献,本文详细阐述了各种功率放大器的原理和特点,并对比分析各自的优缺点,在此基础上提出了本文所研究的基于SCOM结构的D类音频功率放大器,并详细介绍了其工作原理。 本文分析了传统D类音频功率放大器的基本原理,并提出了一种高功率高效率D类音频功率放大器。这种D类放大器采用同步控制振荡调制(SCOM),适用于移动设备。SCOM系统由两个COM系统和一个同步模块组成。同步块使两个COM系统在高频相位确保精确的双边三电平调制技术,而微分结构确保两个COM系统处于180°的低频相位,在扬声器负载上获得最大的电压摆幅。在明确SCOM结构工作的原理的基础上,本文具体讨论了D类音频功率放大器各模块的工作原理和设计要点,对放大器的各个模块包括运算放大器电路、比较器电路、驱动电路、功率输出级电路等进行了设计及仿真。其中运算放大器电路和比较器电路是本设计的重点部分,通过反复的计算和实验,本文设计了具有良好性能的运算放大器和比较器,并进行仿真和分析。SCOM结构采用了无滤波调制的方式,减小了芯片面积。采用2~10Ω+10μH的扬声器负载模型,在反复计算调试的基础上设计SCOM系统电路图。 本设计采用Cadence软件的Spectre工具,选用TSMC 0.18um CMOS工艺的设计规则,对基于SCOM结构的D类音频功率放大器的各模块电路及整体电路进行设计及仿真,电源电压3.3V。仿真的结果表明,本文设计的D类音频功率放大器完成了对音频信号的放大功能,电路符合设计要求。


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