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高效率、低失真的D类音频功率放大器

叶春晖  
【摘要】: 半导体技术的进步重新唤起了人们对D类音频功放的兴趣,尤其体现在便携器件等消费电子产品中。 本文对双声道D类音频功率放大器进行研究,通过使用双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术极大降低了静态功耗,从而将低输入状态下的芯片的效率提高到90%。同时将谐波失真降至0.03%.并且通过独特的二阶反馈环路增大系统带宽,使系统在20赫兹到20000赫兹的音频范围内具有平坦的响应曲线。 就此本文主要开展了以下研究工作: 1.综合考虑器件成本和性能的要求,选取了现代公司的0.6μm线宽标准工艺,在保证合理的成本和芯片面积的前提下得到最优化的效率以及相应的输出功率性能。通过对输出级电路分析计算,确保芯片在该工艺条件下的运行安全性。 2.深入分析计算了以往各种采样技术的特点,设计了双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术作为D类音频信号调制器的核心技术,提高了系统线性度,极大降低了系统静态功耗。 3.设计独特的二阶反馈环路增大系统带宽。建立传递函数模型,通过MATLAB分析系统的线性与稳定性。通过SIMULINK仿真,计算出系统的失真度。 4.设计并全差分结构的运算放大器作为组成音频信号调制器的核心放大器,以得到更高的集成度,并且不需要使用输入耦合电容对。设计轨到轨的高反应速度的比较器作为脉宽高制信号发生器,从而将信号相移最小化,同时保证系统的稳定性。 5.完成包括D类音频调制器以及功率输出级在内的整个器件的所有具体电路设计与仿真验证;完成了器件的版图设计、后端生产以及性能测试。所得到的产品在拥有高达90%的效率与低至0.03%的失真度,在效率与失真度方面性能优异,十分符合音频领域的应用要求。 该D类音频功率放大器的性能良好,拥有极高的效率以及低失真,同时还拥有占空间小,成本低的优势,适合于手机等便携式消费电子产品的音频应用,在国内处于领先地位,具有广泛的市场前景。


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