音频功率放大器(D类)

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4 .2 . 5 三 角 波 振 荡 器 4 . 2 . 6 PWM 调 制 器 4 . 2 . 7 BD 调 制 PW M 脉 冲 的进 一 步 处 理 4 . 2 . 8 死 区ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 制 及 驱 动 原 理 4 .2 .9 短 路 过 流 保 护
I
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class D am plifi er con sists of an op erational am p lifier, a com p arator, a tri-an gular g en erator, a
pow er output stage and the protection ci rcui ts. T he class-D am plifi er has been verifi ed i n
止 ，因此 输 出器 件 的功 耗 非常 小 ，使 它 的效 率 远 比A 类 、B类 和 AB类 要 高 的 多 ， 同 时D类 放 大 器 的效 率 和 输 入 信 号 的大 小 无 关 ，不像 AB类 放 大 器 只有 在 很 高 的输 出功 率 时 才 能达
到 比较高的效率 ，在 电源 电压为额定值 时，D类放大器 的效率高达80 % -90 % 以上 [ 2 ]，其

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II
摘
要
本 文 设 计 了一种 D类 音 频 功 率 放 大 器 电路 ，相 比于 传 统 功 放 ，D类 功 放 有 其 独 特 的性 能优 势 。高 效 率 和 低 能 耗 使 其 在 移 动 音 频 设 备 中 的运 用 越 来 越 广 泛 。
本 文 在 阅读 国 内外 有 关 文 献 的基 础 上 ，介 绍 了 目前 主要 的非 线 性 和 线 性 功 率 放 大 器 并 总 结其 优 缺 点 ，介 绍 了传 统 D类 放 大 器 的工 作 原 理 和 实现 方 式 ，并 在 此 基 础 上 提 出 了一种 可应 用 于无滤 波 器 D类 功 率 放 大 器 的改进 脉 宽调制 方 式 。无 滤 波 器 D类 功 率 放 大 器 的子 电路 包 括 带斩波 稳 定 的高 性 能运 算 放 大 器 、低 噪声 比较器 、250KH z振 荡 器 、输 出功 率 级 电路 、过温 保 护 ，过 流 保 护 电路 等 。在 反 复 计算 调试 的基 础 上对 电路 进 行 了模 块 电
an d m ore w idel y.
T he fam iliar lin ear an d n on -lin ear p ow er am p lifiers are i ntrodu ced fi rstl y, an d th en th e
an alysis of advantag es an d disadvantages of th ese am p lifier is gi ven in th is th esi. C om p arison
近 些年 来 ，随 着 各 领 域数 字化 程 度 不 断加 深 ，D类 音频 功率放 大器 逐渐 进 入 了人们
的视 线 ，D类 放 大 器 的 工 作 方式 不 同于 A 类 、B 类 和 A B类 ，它 采 用 切 换 电压 方 式 的 同 时利
用 数 字 信 号 控 制 导 通 时 间 以放 大 信 号 ，其 输 出 级 的 工 作 状 态 不 是 完 全 导 通 就 是 完 全 截
目
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Ab strac t
录
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1. 1 音频放大器背景
3
1.2 D 类 音频 功 率 放 大 器 的 发 展 动 态 1.3 主 要 研 究 内容 及 指 标
1.4 论 文 组 织 结 构 第二章 功 率放大器原理 2. 1 功率放大器种类
2 . 1. 1 A 类 放 大 器 2 . 1.2 B 类 放 大 器 2 . 1.3 A B 类 放 大 器 2 .2 D 类 放 大 器
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4 . 1.5 管 脚 配 置 和 说 明
4 . 1.6 电器 特 性
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4 .2 电路 模 块 设计
4 .2 . 1 基 准 电压 源 电路 设 计 ：
4 .2 .2 过 温 保 护
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4 .2 .3 欠 压 保 护
4 .2 .4 上 电复 位
K ey w ord ： C lass-D am p lifi er，filter-less，P W M ，p ow er outp ut stage .
C l a s s if ic a t io n Code : TN4
2
第 一章 引言
1. 1 音 频 放 大 器 背 景
音 频 功率 放 大 器 是 MP 3播放 器 、笔 记 本 电脑 、手 机 以及 便 携 式D VD等 消 费类 电 子 产 品
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2 .2 . 1 D 类 放 大 器 工 作 原 理 2 .2 .2 模 拟 脉 宽 调 制
2 .2 .3 数 字 脉 宽 调 制
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2. 3 D 类 功放 的输 出级
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2.4 免 除 滤 波 器 设 计 技 术
第三 章 D 类 音 频放 大 器 的设 计 因素 3. 1 合 适 的功 率 管 尺 寸 3.2 保 护 电路 3.3 絲 3.4 电磁 干扰 禾 口 布局
平 均 效 率 大 约 要 比AB类 放 大器 高2- 3倍 ， 也就 是 说 ， 通 常 系统 电池 的寿命 可 以延 长 2-3倍 ，
同 时在 输 出功 率 一 样 的情 况下 ，D类 音 频 功 率 放 大 器 的表 面 温 度 会 远 远 低 于 AB 类 ， 因此 使 用 时不 需 或 只 需 要 一 个 很小 的散 热 器 ，这 就 大 大 减 小 了D 类 音 频 功 率 放 大 器 的体 积 ， 具 体 来 说D类 音 频 功 率 放 大 器 的优 点 是 ： （ 1)节 能 ，所 需 散 热 片 小 ，这 样 可 以节 省 空 间 ，系 统 可 以设 计 得 较 轻 、较 小 ； （ 2) 电源 使 用 效 率 很 高 ，可 以延 长 系 统 电池 的寿 命 。上 述 优 点 使 得D类 音 频 放 大 器 和模 拟 音 频 放 大 器 相 比时 具 有 很 大 的优 势 随着 目前 市 场 上 消 费 电子 行 业 的快 速 发 展 以及 音 频 功 率 放 大 器 高效 、节 能 和 小 型化 的趋 势 ，D类 音 频 功 率 放 大 器 开 始 逐 渐 取 代 AB类 进 入 可 携 式 产 品 、 家庭 AV 设 备 、 专 业 影
b etw een the tradi tion al class D p ow er am p lifi er an d th e am p lifier th at is b ased on an im proved
pulse-w i dth m odulated (P W M ) m odulation for fi l ter-less class-D is done i n detail. F ilter-less
4 . 2 . 10 数 字 音 量 控 制
4 .2 . 11 电 路 启 动 过 程 4 . 2 . 12 前 置 运 放
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4 .2 . 13 芯 片 整 体 仿 真
4. 3 本 章 小结 第 五 章 总 结 及展 望
5. 1 总结 5. 2 展 望
S ilicon an d can m eet all requ irem ents.
E D A tool C A D E N C E is u sed for the ci rcui t sim ulation an d l ayout desi gn . T he pro cess of
C SM C 0. 5um D PTM CM O S M ix ed sign al stan d ard CM O S is selected for
m an ufacturing . T esti n g resu lts show th at th e output p ow er is 3W ,th e m axim um eff i ciency is
h igh er than 90% and T H D is sm aller th an 10% .
着科 技 的进 一 步 发 展 ，更 多 、更 新 的便 携 式 多 媒 体 产 品都 要 求 其 中的音 响系 统 具 有 更 小
的外 形 设 计 和 更 大 的 电池 容 量 ，所 以上 述 缺 点 都 成 为A B类 功 率 放 大 器 的致 命 弱 点 ，限制
了AB类音频功放 的进一步发展⑴。
音 、汽车音响、平板 电视、媒体播放器和笔记本 电脑等多个领域 ⑺，可 以说， 在 未来 的很
长 时 间 内 ，D 类 音 频 功 率 放 大 器 将 一 直 是 研 究 的 热 点 ，如 何 设 计 出 一款 兼 顾 效 率 与 保 真
度 的D 类音 频 功 率 放 大 器 也 会越 来 越 成 为 众 多研 究 机 构 和 企 业 所 关 注 的课 题 。
间必须处于线性放大 区，因此其功率耗散较大 [ ' "2 ], 在大输 出功率情况下，AB类 放大器
会 对 功 率 器 件 构 成 极 大 威 胁 ，此 外 ，A B类 功 率 放 大 器 还 存 在 如 下 的缺 点 ： 1. 效 率 低 ，
其 输 出功 率 不 可 能 很 大 ；2 . 大 功 率 输 出 时 ，通 常 需 要 散 热 器 ， 因 此 系 统 体 积 较 大 。 随
中应用 最 广泛 的组 件 之 一 ，有 很大 的市 场 。传 统 音 频 功率 放 大 器 主要有A类 （ 甲类 ) 、B类
(乙类 ) 和 A B类 （ 甲 乙类 ） ，由于 A B类 功 率 放 大 器 能 够 提 供 高 品质 的 信 号 放 大 性 能 ，所 以 已
经 被广 泛 的应 用 ，然 而 AB类 功 率放 大 器 工 作 时 ，由于 直 接 对模 拟 信 号进 行 放 大 ，工 作 期
高 效 率 90% , 谐 波 失真 小 于 10% , 64 阶音 量 调 制 。
关 键 词 ：D 类 功 率 放 大 器 ，无 滤 波 器 ，脉 宽调 制 ，功 率 输 出级 。
中 图分 类 号 ：TN 4
A b str a c t
C om p ared w i th th e tradition al au dio p ow er am p lifiers, th e class D am p lifi er p o ssesses large d ev elopm ent foregroun d . T h e reason is the later h as several characters, su ch as sm al l volum e ，high eff i cien cy, low distortion an d h igh p ow er m ak e i t app ly to m obile devices m ore
3. 5 LC 滤 波 器 设 计
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3.6 系 统 成 本 考 虑
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第 四章 S P880 3 模 块 设 计
4. 1 SP8803 概 述
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4 . 1. 1 特 点
4 . 1.2 应 用 4 . 1. 3 典 型 应 用 电路 4 . 1.4 模 块 框 图
路 仿 真 和 系 统 整 体 仿 真 ，达 到 了设 计 指 标 。
采 用 CADENCE 公 司 的 V ir tu o so 设 计 工 具 进 行 电路 设 计 仿 真 和 版 图 ， 采 用 华 润 上 华 0. 5um 双 多 晶双 铝 的B ICM 0S工 艺 。在 电源 电压 5V ，负 载 为4 Q 时 实现 了3W 的 功 率 输 出 ，最