东南大学

硕士学位论文

PWM调制的无滤波Class D音频功率放大器的设计

姓名：李婕妤

申请学位级别：硕士

专业：电子科学与技术（集成电路设计）

指导教师：吴金

20080301

摘要

摘要

随着便携式产品需求量不断增加，ＣｌａｓｓＤ数字功放因相比ＣｌａｓｓＡＢ线性功放更符合便携式发展趋势从而成为研究热点。ＣｌａｓｓＤ功放的发展趋势为保持效率优势的同时成本降低、音质趋近ＣｌａｓｓＡＢ功放，本文就围绕这两点展开。

本文采用正向设计的方法，设计了一种应用于便携式产品中的ＰＷＭ调制无滤波ＣｌａｓｓＤ音频功率放大器系统。根据便携式产品对音频功放的要求，设定了合理的系统性能指标和详细地论证了系统结构的选择。性能方面分析了效率和ＴＨＤ的影响因素和改进方法。结构方面根据无滤波系统的性能要求选择三电平双边ＰＷＭ采样调制方式。同时设计了闭环滤波式结构和基本开环结构，以进行性能比较，突出无滤波调制方式的先进性。

主要从系统稳定性、ＴＨＤ要求和ＰＳＲＲ要求三个方面进行无滤波调制的系统设计。首先建立系统的线性模型，推导出各模块电路的传递函数及系统环路增益和ＰＳＲＲ的表达式。明确了在确保系统稳定的前提下折中ＴＨＤ和ＳＮＲ的设计思路。最后进行Ｍａｔｌａｂ验证。

通过系统设计分析出关键模块电路的性能指标，从而进行具体模块电路的结构选择和参数设计。重点设计了功率级和一阶积分器，同时设计了三角波发生器、前置放大器、比较器、偏置和模拟地产生电路。

采用ＣＳＭＣ０．５ｔｔｍ工艺，运用Ｃａｄｅｎｃｅ和Ｈｓｐｉｃｅ软件，对系统进行了仿真验证。首先验证了闭环无滤波系统在２．５Ｖ至５Ｖ内可以正常地工作；８Ｑ负载下最大输出功率为１．２Ｗ；系统的转换效率最高可达９０．１３％；８Ｑ负载、Ｏ．５Ｗ输出功率、５ＫＨｚ输入信号频率条件下ＴＨＤ最低可为０．３９３５％；其次，从效率和ＴＨＤ性能指标的角度，比较了开环结构、闭环滤波式结构和闭环无滤波结构。效率方面，闭环结构优于开环结构；大功率时闭环滤波式系统和无滤波系统的效率一样，小功率时闭环滤波式系统的效率略高于无滤波系统的效率。ＴＨＤ方面，两个闭环结构ＴＨＤ相对开环结构均有所改善，但无滤波闭环结构的性能优于开环结构。由此证明闭环无滤波结构的先进性。

本文主要创新点：采用正向设计的方法，根据系统设计分析出关键模块电路的性能指标。从理论上推导出在版图设计上提高效率的方法。设计出无滤波式ＢＴＬ功率级的电路结构。

对于需求巨大的便携式产品，无滤波调制ＣｌａｓｓＤ功放极大地节省了板级面积，降低了成本，同时满足便携式基本的性能要求，具有广阔的应用前景。

关键词：ＣｌａｓｓＤ音频功放；便携式：无滤波；ＰＷＭ；ＴＨＤ：效率

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｐｏｒｔａｂｌｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｄｕｃｔｓ，ＣｌａｓｓＤａｕｄｉｏＰＡｓｈｏｗｓｒａｐｉｄ

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ＴｈｅｐｏｒｔａｂｌｅＰＷＭｆｉｌｔｅｒｌｅｓｓＣｌａｓｓＤＰＡｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｈｅｔｏｐ

ａｒｅｔｏｂｏｕｏｍｗａｙ．Ｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

ｌｅｖｅｌｄｏｕｂｌｅｓｉｄｅｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｒｅｅｓｙｓｔｅｍ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｏｐｅｎ—ｌｏｏｐＰＷＭｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｉｓｃｏｎｆｏｒｍｅｄｆｏｒｔｈｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣｌａｓｓＤａｕｄｉｏａｍｐｌｉｆｉｅｒ；Ｐｏｒｔａｂｌｅ；ｆｉｌｔｅｒｌｅｓｓ；ＢＴＬｐｏｗｅｒｓｔａｇｅ；ＴＨＤ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

东南大学学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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了谢意。

研究生签名：—垄益乳日期：堡型

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研究生签名：篮鹭一．一导师签名：二萎殳日期：咕．甓２，

第一章绪论

第一章绪论

本章首先介绍了音频功放的应用领域和分类。根据便携式应用，肯定了无滤波ＣｌａｓｓＤ功放的研究意义；比较音频功放两大类ＣｌａｓｓＤ功放与ＣｌａｓｓＡＢ功放的优缺点，分析出ＣｌａｓｓＤ功放的现状和发展趋势。比较了ＣｌａｓｓＤ功放两大类ＰＷＭ功放和∑．△功放的优缺点。由此确定本论文系统的结构和各项性能指标。最后简要概括了本文主要工作和章节安排。

１．１课题背景与研究意义

音频功率放大器在现代人们的日常生活中起着很重要的作用。其主要有两个应用领域‘１】：便携式产品和大功率音响设备。小于ＩＷ功率等级的主要用于采用耳机听音的设备中，例如手机、ＭＰ３播放机、随身听、便携式收音机等等。ｌＷ至１０Ｗ功率等级的主要应用于采用喇叭作为发音设备，但是又离开人体较近的设备中。例如，笔记本电脑、台式电脑喇叭、便携式ＤＶＤ播放机、收音机、便携式ＬＣＤ电视机、汽车音响、玩具等。１０Ｗ至２０Ｗ功率等级的主要用于电视机、ＤＶＤ播放机、普通音响设备、汽车音响设备等。超过２０Ｗ功率等级的主要用于专业音响设备、以及特殊的汽车音响设备中。

音频功放主要分成两类‘２】：线性功放和开关功放。线性功放按静态工作点的设置可分为ＣｌａｓｓＣｌａｓｓＡ、Ｂ、ＣｌａｓｓＡＢ和ＣｌａｓｓＣ四类。其中ＣｌａｓｓＡＢ功放以线性放大为基础，输出波形非线性失真小，保真度高，因此早期的音频放大器主要采用此结构；特别是由于其良好的音质表现，在专业音频领域ＣｌａｓｓＡＢ功放得到广泛的运用。通过采用优质元件、复杂的补偿电路、深负反馈控制，使ＣｌａｓｓＡＢ电路失真变得更小。此外，ＣｌａｓｓＡＢ功放还具有以下优点【３】：增益与电源电压无关、ＰＳＲＲ高：先电压放大，再电流放大，所以输出阻抗小，对负载不敏感；能量总是从电源到负载单向流动，不会导致电源波动。但它直接对模拟信号进行放大，功率管工作期间必须位于线性放大区，功率耗散较大，对散热设备的要求较高，输出效率低。此外它虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，功率器件仍受到极大威胁，功率输出受到限制。总之，低失真、大功率、高效率是对功率放大器提出的普遍要求，而ＣｌａｓｓＡＢ功放虽然失真小，但功率和效率问题难以从根本上解决。

进入２１世纪以后，各种便携式应用成为了电子设备的一种重要的发展趋势。考虑到ＣｌａｓｓＡＢ功放能够提供高品质的信号放大性能，因此非常适合耳机和一些小功率喇叭的应用。但是由于更多、更新的便携式产品对多媒体功能有着更高的要求，立体声音频、３Ｄ环绕音效以及大音量输出已逐渐成为新一代便携式多媒体产品必不可少的功能。更小的外形设计、使用更薄的电池、较低的效率成

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为ＣｌａｓｓＡＢ功放的致命弱点。同时随着人们居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率，从而效率越显重要。总之全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。就是在这种需求的背景下，ＣｌａｓｓＤ音频功放被开发出来了。ＣｌａｓｓＤ功放与线性功放的最大区别是不以线性放大音频信号为基础，而是放大数字信号。线性功放减少一个信号周期内晶体管的导通时间，即减少导通角Ｑ，使瞬时功耗下降以提高效率而ＣｌａｓｓＤ功放使晶体管工作在开关状态以减少晶体管导通时的瞬时信号功率来提高效率。ＣｌａｓｓＤ功放具有的优点【４】：１）效率高（这是最为突出的优点）、延长电池寿命、减少散热装置。低输出功率时ＣｌａｓｓＤ功放的效率平均比ＣｌａｓｓＡＢ功放的效率高２．５到３倍，而在播放语言或音乐时，放大器大多数时间都工作于低输出功率的状态，所以便携式低输出功率应用中ＣｌａｓｓＤ功放具有巨大的效率优势：２）性能好：宽频率范围、大的动态范围、良好的瞬态响应；３）可以使用开关电源供电，即降低成本，电源设计可以简单些；４）以纯数字化结构完成了音频信号的链接，大大提高了音源的音质；５）可以用软件实现调试，可编程增益和故障记录；６）功率越大（４０Ｗ以上），其成本优势越明显。

虽然ＣｌａｓｓＤ功放存在以下缺剧５】：能量可以电源到负载双向流动，从而导致电源波动；ＴＨＤ和噪声大，音质仍需进一步改善。但随着集成电路技术的不断发展，功率器件的发展，ＣｌａｓｓＤ功放的性能越来越高；同时在不断减少对元件精度要求、提高保真度和降低成本方面，近几年发展迅速，成为极具发展前景的功率放大器。

按照调制方式的不同，ＣｌａｓｓＤ系统可以分为两判６】：脉冲宽度调制（ＰｗＭ）系统和∑一Ａ（Ｓｉｇｍａ－Ｄｅｌｔａ）调制系统，对应的系统框图如图１．１．６和１．１．７所示。ｚ．△方式可用于模拟或数字输入音频信号，可以实现音频放大器系统的全数字架构。而为适应数字声源直接输出的脉冲编码调制ＰＣＭ信号，ＰＷＭ系统内部还应设置一个ＰＣＭ／ＰＷＭ脉冲编程调制的转换装置，采用数字信号处理技术把不同格式的数字音频变换成ＰＷＭ调制信号。从表１．１．１可看出ＰＷＭ和∑．△性能各有优缺点，从而ＰＷＭ与∑．△应用领域不同，应根据系统指标的侧重点不同，选择不同的调制方式。

模拟信号

前置放大卜刊过采样Ｈ∑一△调制Ｈ功率管卜｝滤波器Ｈ扬声器

麴主焦点Ｌ—————Ｊ∑一△调制级功率放大级

图１．１．６基于∑．Ａ调制方式的ＣｌａｓｓＤ系统框图

第一章绪论

图１．１．７基于ＰＷＭ调制方式的ＣｌａｓｓＤ系统框图

表１．１．１ＰＷＭ和∑．Ａ性能比较

ＰｗＭ

优点

电路简单

滤波器阶数低

开关频率低

结构简单

成本低

效率比Ｂ△高缺点振荡器要求高频谱密度大需要加负反馈形，ＴＨＤ＋Ｎ性能好大量高频分量集中在载波频率的倍频处大量高频分量分布在宽频率范围内，ＥＭＩ优于ＰＷＭ结构复杂成本高功耗大优点振荡器简单过采样，频谱密度小固有的负反馈，噪声整开关频率高∑．△缺点电路复杂滤波器阶数高

限于可用工艺，本论文选择需求巨大的便携式研究领域。由于开关功放的第一个目标就是取代模拟功放，所以本论文主要选择模拟音频信号作为输入信号。ＣｌａｓｓＤ用于模拟输入时常采用ＰＷＭ调制方式。基于ＰＷＭ调制方式的ＣｌａｓｓＤ功放，由于结构简单、成本低的优点，在低端音频功放市场有广阔的应用前景。用于便携式的ＰＷＭ调带ｌＪＣｌａｓｓＤ功放的一个最重要的发展趋势就是节省板级面积。传统ＰＷＭ调制的ＣｌａｓｓＤ音频功放采用二阶ＬＣ滤波器，至少需要四个大容量的电容和电感，而无滤波调制方案可省去输出滤波器，节省了６０％的板级面积。所以无滤波调制方案对便携式ＣｌａｓｓＤ功放极具吸引力。

１．２研究现状

随着ＢｃＤＭＯＳ工艺的发展，功率器件的发展，ＣｌａｓｓＤ音频功放功能和性能越来越强大。如：欧胜公司研究出第一款可Ｉ扫ＣｌａｓｓＤ向ＣｌａｓｓＡＢ转换的立体声编解码器，可满足不同音质需求；ＪａｍＴｅｃｈ公司推ＴｒｕｅＦｉｄｅｌｉｔｙ分段ＰＷＭ数字音频功放，利用同步双调制技术，可不再需要反馈环和错误补偿电路；利用已获专利的Ｅ—Ｂｒｉｄｇｅ取代传统的Ｈ－Ｂｒｉｄｇｅ输出级，可获得更高得分辨率；融入电源调节技术，可直接使用不经调节的电源，减少了大容量电容器。ＪＲＣ公司推出的ＮＪＵ８７１０Ｉ作电压已低至１．７．２．７Ｖ。表１．２．１表示现阶段主流产品的典型性能指标。

在ＰＷＭＣｌａｓｓＤ功放领域，ＴＩ最早在２００１年提出了无滤波器技术的专利，各大公司紧接研究，纷纷提出专利。反观国内的现状，国内市场仍主要由国外领先公司占领。如２００４年ＴＩ公司约占国内

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市场的７０％，其它公司（索尼公司、美信公司和国家半导体公司等）共同占有其余３０％的产品市场。国内研究机构做的比较好的有中国电子科技集团公司第二十四研究所，其设计技术和工艺条件已能够满足数字音频功率放大器产品的开发和产业化，重点开发国内数字化程度较低的中、大功率产品，并决心改变小功率市场由国外公司垄断的局面。国内的龙鼎科技２００７年开发出拥有自主知识产权的无滤波技术。表１．２．２表示现阶段ＰＷＭＣｌａｓｓＤ功放的典型性能指标。

表１．２．１各公司ＣｌａｓｓＤ功放的参数指标

调制

产品名称

方式

ＴＰＡ２０００Ｄ２输出功率（ｗ）２

２．５最小负载（Ｑ）３４工作电压（Ｖ）４．５－５．５２．４．５１’ＨＤ＋ＮＳＮＲＰＳＲＲ效率（％）７５．８５％８５％

８６％＠ＩＫＨｚ０．０８％０．０７％０．８％（ｄＢ）８７９６（ｄＢ）７７７５ＰＷＭＰ、ＶＭ∑．△

∑．△ＬＭ４６７４ＬＭ４６６７ＡＤｌ９９２—１９９６Ｉ．３４２．７．５．５８３６５１Ｏ／２５／４０４．５．５．５０．０１％１０２１０２８４％

表１．２．２ＰＷＭ方式ＣｌａｓｓＤ典型产品的参数比较

有无滤

产品名称

波器

７７纠００５Ｄ０２

硼ＰＡ２０００Ｄ２输出功最小负载（Ｑ）４工作电压（Ｖ）４．５．５．５１］闭叶Ｎ＠ｌＫＨｚＯ．２％Ｏ．０８％

Ｏ．０１５％

０．２７％ＳＮＲＰＳＲＲ效率（％）８０％７５．８５％８５％９０％率（Ⅵ２（ｄＢ）（ｄＢ）４０滤波式无滤波无滤波无滤波２１．２３４４．５．５．５２．５．５．５８７８５．９７７６８ＭＡＸ９７００Ｐ久Ｍ８３０３Ｓ３４２．５８０５５

从以上产品的性能分析，可得知ＣｌａｓｓＤ音频功放的发展趋势吐

１）解决放大器轨对轨切换带来的高强度ＥＭＩ辐射问题：可采用扩频调制机制。同时注意ＰＣＢ布局布线。

２）提高保真度，改善音质：调制和解调之间需要更好的匹配，需要研究新的用于自然采样的调制方式来更好地配合低通滤波的解调方式。

３）新型反馈控制技术，如双环反馈控制、动态补偿控制和单周控制技术。

４）尺寸更小，降低系统成本，简化结构：如采用半桥结构，无输出滤波器和反馈元件。

５）纯数字结构，数字控制：因为随着数字音源成为主流，且可以与强大的数字信号处理技术整合，所以纯数字结构成为趋势。

１．３论文主要目标和内容

设计一个用于便携式电子产品中采用ＰＷＭ方式固定频率调制、预放大四级固定增益的无滤波ＣｌａｓｓＤ音频功放。同时设计一个滤波式的经典开环系统和一个滤波式的闭环系统，比较开环与闭环

第一章绪论

系统，无滤波与滤波式系统性能。

便携式功放一般要求【８】：１）单电源供电、工作电压低，～般是２．７或２．５＂－５．５Ｖ；２）根据用途，输出功率范围从几十毫瓦到两瓦左右。一般一百毫瓦以下的主要用于驱动耳机，几百毫瓦的主要用于驱动扬声器（也可用高阻抗耳机）。可得出单通道ＣｌａｓｓＤ性能指标：

１）效率：８５％；

２）工作电压：２．５Ｖ－５．５Ｖ；

３）输出功率：Ｖ（炉５Ｖ、ＲＬ＝３５＂２时全桥最大输出功率２Ｗ；

４）ＴＨＤ－－Ｖｃｃ＝５Ｖ、ＲＬ＝８Ｑ、ｆｍ＝ｌｋＨｚ、Ｐｏ＝ｌＷ时，ＩＨＤ＜Ｏ．５％；

５）ＰＳＲＲ：一６０ｄＢ＠！ＩＫＨｚ；－６５ｄＢ＠２１７Ｈｚ；

６）关闭状态的漏电流：ｌ衅：

７）工作温度范围：．５５。Ｃ至１２５０Ｃ；

８）典型负载阻抗：４１２、８Ｑ；

９）静态电流：ＩＱ＜２ｍＡ

１０）ＳＮＲ－ＶｃＣ＝５Ｖ，Ｐｏ＝１Ｗ，ＲＬ＝Ｓｆ２时＞８０ｄＢｒ

１．４论文组织结构

第一章绪论，分析ＰＷＭ调制无滤波ＣｌａｓｓＤ音频功放的现实意义，提出本文的研究内容和安排。

第二章介绍ＰＷＭ调制无滤波ＣｌａｓｓＤ音频功放的工作原理和系统指标，根据实际情况选择论文的研究内容，进而确定系统结构和设计目标。

第三章给出ＰＷＭ调制闭环无滤波系统的系统设计和Ｍａｔｌａｂ仿真结果。

第四章给出ＰＷＭ调制闭环无滤波系统主要子模块的设计和仿真结果。

第五章给出ＰＷＭ调制开环系统、闭环滤波式系统和闭环无滤波系统的仿真结果和分析。

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第二章ＰＷＭＣｌａｓｓＤ音频功放系统原理

本章从时域和频域两方面展开对开环与闭环ＣｌａｓｓＤ系统的分析。时域分析侧重于不同结构及其瞬态响应；频域分析侧重于不同的调制方式及其频率响应。

２．１ＰＷＭＣｌａｓｓＤ功放原理

采样控制理论中有～个重要结论‘９ｌ：冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性环节时，其控制效果基本相同。ＰＷＭ控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不同的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他类型信号的驱动作用。按一定的规则对各脉冲宽度进行的调制，既可改变电路输出电压的大小，也可选择输出信号的频率。应用于音频功放，主要有以下几种实现方法：

１）等脉宽ＰＷＭ法

等脉宽ＰＷＭ法是ＰＷＭ法中最为简单的一种。将每一脉冲的宽度均相等的脉冲序列作为ＰＷＭ波，通过改变脉冲序列的周期实现调频，同时改变脉冲的占空比实现调压，采用适当的控制方法可使电压与频率协调变化。该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。∑．△调制就是在此基础上采用过采样方式进行改进的。２）随机ＰＷＭ法

其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的，由于噪声总能量不变，则以固定开关频率为特征的有色噪声强度大大削弱。对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机ＰＷＭ仍然有其特殊的价值；这表明消除机械和电磁噪声的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机ＰＷＭ技术即扩频调制方式提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。

３）ＳＰＷＭ法

ＳＰＷＭ（ＳｉｎｕｓｏｉｄａｌＶＷＭ）是一种比较成熟、目前使用较广泛的ＰＷＭ调制方法。ＳＰＷＭ用脉冲宽度按正弦规律变化并与正弦波等效的ＰＷＭ波形即ＳＰＷＭ波形控制开关器件的通断，使其输出脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值以调节电路输出电压的频率和幅值。本文ＰＷＭ控制方式属于ＳＰＷＭ调制，用一个基准载波对音频信号进行采样，用模拟音频信号的幅度调制产生一系列矩形脉冲的宽度。这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在脉冲宽度或相位之中。脉冲信号的功率放大包含电压与电流放大，即两者兼有。当输出晶体管处于开关状态时，它的作用只是把电源电流引导到负载，负载阻抗越小，电流越大，输出功

第二章ＰＷＭＣｌａｓｓＤ音频功放系统原理

率相应越大。最后只要将放大后脉宽调制信号中所包含的低频分量滤除后，负载就可得到放大以后的音频信号。

自然采样法是一种ＳＰＷＭ常用的实现方式，及以正弦信号为调制信号，锯齿波或三角波为载波对其采样，在输入信号与载波的自然交点时刻控制开关器件的通断，如图２．１－ｌ所示。这种采样所得到的ＳＰＷＭ波形最接近于输入的正弦波。

磁／八＼一＼√

Ｌｋ／＼

图２．１．１自然采样法

４）非线性控制ＰＷＭ调制

单周控制法１１０】又称积分复位控制，是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。

非线性控制会引入一些非常难补偿的非理想特性，所以虽然对一些参数性能进行了改善但很难判断总体性能是否改善，而线性控制易于建模和优化，能有效地校正误差且电路实现比非线性控制简单【ｌｌ】。所以本论文主要采用线性控制方式。

对于数字输入信号，采用统一采样ＵＰＷＭ（ＵｎｉｆｏｒｒｎＰＷＭ）调制方式；对于模拟输入信号，采用自然采样ＮＰＷＭｆＮａｔｕｒｅＰＷＭ）调制方式。ＮＰＷＭ调制方式的实现。按照载波的不同，自然采样可分为单边调制（载波为锯齿波）和双边调制（载波为三角波），如图２．１—２和图２．１．３所示。三角波的频谱中没有偶次谐波，频率特性好，调制信息也丰富些，失真略小。因为双边调制性能优于单边调制，本论文采用双边调制。

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图２．１．２锯齿波及其频谱∞／ｔａｏ

Ｏ／ｔ．００图２．１．３三角波及其频谱

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按照采样方式的不同，自然采样又分为ＢＰＷＭ（ＢｉｐｏｌａｒＰＷＭ）和ＵＰＷＭ（ＵｎｉｐｏｌａｒＰＷＭ）调制。ＢＰＷＭ调制输出电平只有０和１两种电平，而ＵＰＷＭ调制输出电平有１、－１和０三种电平。ＢＰＷＭ调制输入的模拟信号包含在这个脉冲信号的宽度之中，而ＵＰＷＭ调制输入的模拟信号包含在这个脉冲信号的相位之中。ＵＰＷＭ调制的好处【１２Ｊ：开关频率处、开关频率的奇次谐波处以及两者的边带处不再有频谱分量。基带外的第一个频率分量出现在２ｅ．￡处，而ＢＰＷＭ调制中基带外的第一个频率分量出现在￡－ｆｏ处，其中‘为采样频率，厶为信号频率，如图２．１－４所示。在性能相同的约束下，ＵＰＷＭ调制所需的开关频率仅为ＢＰＷＭ调制所需开关频率的一半。而在相同开关频率的前提下，ＵＰＷＭ调制能使谐波的频率分量远离基带，取得更好的ＴＨＤ指标。实用的无滤波调制系统均采用ＵＰＷＭ调制，而传统经典系统通常采用传统的ＢＰＷＭ调制。

图２．Ｉ－４ＢＰＷＭ和ＵＰＷＭ差分输出信号的频谱分析

本文ＰＷＭ调制采用等幅三角波来对音频信号进行采样。为了避免失真和减小对输出滤波的要求，三角波频率必须远高于音频信号的最高频率分量，但频率过高又会导致开关损耗急剧增加，降低效率。所以ｅ在２００ｋＨｚ至１Ｍｎｚ合适。实际上，￡只要比￡高１０倍以上即可满足要求，采用２５０ｋＨｚ三角波载波信号成为一种常用的选择。

２．２开环系统结构

ＣｌａｓｓＤ功放器通常包含三个组成模块：前置输入级、调制级和功率输出级。ＰＷＭ调制ＣｌａｓｓＤ功放一般由三角波发生器、比较器、功率级及其驱动电路、ＬＣ低通滤波器等部分组成，系统结构如图２．２．１所示。前置输入级完成单端输入到差分输出的接口转换，同时对输入的微弱信号进行增益可调节的电压预放大，起到配置输出功率的目的。调制级为ＣｌａｓｓＤ音频功放的核心控制模块，包含ＰＷＭ、∑．Ａ等多种占空比调制方式，并且采用闭环控制以抑制环路内各电路元件的非线性失真。最后，功率输出级采用数字开关控制的方式实现大电流负载的驱动输出。

第二章ＰＷＭＣｌａｓｓＤ音频功放系统原理

图２．２．１开环系统框图

如前一级没有采用特殊的调制方式，功率级后必须接低通滤波器解调。假设高频时负载呈容性，则串联一个电感可使高频分量不流向负载，从而减少辐射，也提高了效率；为减少高频辐射还必须并联一个电容，直接把射频干扰信号滤去。由于Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器的幅频特性在通带内具有最大的平坦区，所以得到广泛的应用。滤波器的阶数越高，衰减越快，线性度越好但延迟越大，相移越大，影响闭环稳定性。为避免失真，整个频谱内滤波器的相频曲线必须线性。因此ＣｌａｓｓＤ音频功放常采用二阶ＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈＬＣ滤波器１１３１，如图２．２．１所示。滤波器的截止频率ｆｏ应高于音频带宽，因此毛被设置在２０ｋＨｚ。利用滤波器截止频率公式ｆｏ＝ｌ／（６．２８３ｎＲＬＣ），在ｆｏ＝２０ｋＨｚ时，已知ＲＬ＝８Ｑ可推出：Ｃ＝Ｉ．３６旷，Ｌ＝４７９Ｈ，，电感寄生电阻值ＥＳＲ设为０．４ｆｌ。在负载阻抗为４ＩＩ时Ｌ＝１５９Ｈ，Ｃ＝０．２２ｒｔＦ。２．３性能指标

效率和非线性失真是音频功放的核心指标。额定功率是输出失真度小于某一数值下的最大功率。表达式：Ｐｏ＝Ｖ０２／ＲＬ，Ｖ。为负载两端最大不失真电压，ＲＬ为额定负载阻抗。系统测试中常用ＴＨＤ＋Ｎ＝Ｉ％时（给出工作电压、负载阻抗及输入频率）的输出功率作为额定功率。在系统功率输出能力范围内，允许的失真度越大，额定功率越高。

２．３．１效率

效率主要由功率管的导通电阻与系统静态电流决定…１。提高效率必须尽量减少导通电阻和静态电流。若系统在没有音频信号时完全工作在休止状态，则低功率条件下效率更高。不同结构音频功放表现出不同的效率特性。ＬＣ滤波的静态电流不随负载的大小而变化，但随着滤波电感的大小而变化。无滤波结构由于开关损耗都消耗在扬声器上，静态电流稍大且与负载的选择有关。

理想情况下，开关断开时两端有电压差但无电流，开关闭合时两端有电流但无电压差，均不消耗功率，理论上效率可达１００％。实际情况下，晶体管在开关状态下的效率很高。在完全导通状态下晶体管电流很大但压降很小（主要与导通电阻有关）；在截止状态下，晶体管承受的电压很高，但是流过的电流却近似为零（仅由泄漏电流决定）。由于晶体管饱和电阻与芯片温度有关。当芯片工作

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温度从２５。Ｃ增加到１２５。Ｃ时，饱和电阻近似增加一倍，在ＰＴＡＴ偏置Ｆ损耗增加明显超过一倍从而导致高温下电源转化效率的显著退化。此外，偏置电流、输入电容充电、切换电流消耗的功率都会引起效率的下降。

总谐波失真ＴＨＤ（ＴｏｔａｌＨａｒｍｏｎｉｃＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）包含各次谐波失真总和，如果考虑噪声影响，则引入ＴＨＤ＋Ｎ综合指标参数，则参数与输出功率、负载阻抗及输入频率及其范围有关，对于音频功放典型的测试条件为ｆｔａ＝ｌｋＨｚ。

引起ＣｌａｓｓＤ放大器失真的主要冈素包括：采样脉宽误差与量化误差、功率管的死区延时及其导通时间与体二极管恢复电源电压波动、输出滤波电感和电容的非线性等口引。噪声一般从两个方面污染信号，即地线电源线上的噪声以及耦合到信号中的噪声。并分别由ＰＳＲＲ和ＳＮＲ两个指标表示。对于便携式系统，ＳＮＲ的经验值为８０ｄＢ，才能有效抑制“卡嚓声’＇１１６１；ＰＳＲＲ越高，则可直接由电池电压驱动，无需使用ＬＤＯ或ＤＣ—ＤＣ等稳压转换器。ＰＳＲＲ的典型值为６０ｄＢ＠ＩＫＨｚ。ＣｌａｓｓＤ放大器的输出直接和电源电压有关。也可以说放大器的增益和电源电压成正比。这时候它的ＰＳＲＲ就等于０ｄＢ。为了提高放大器的ＰＳＲＲ和改善ＴＨＤ＋Ｎ，通常采用负反馈的方法。

考虑图２．３．１所示的开环放大器模型【１７１：

图２．３．１开环模型

输出信号‰中包含：经增益Ｋ。放大的输入信号％以及引入的谐波成份∑ｖｎ。对于单频正弦波输入信号，放大器的输出为：

圪埘＝如％＋∑％圪斫＝如压％ｓｉｎ（ｑｒ＋ｑ）＋∑√玩ｓｉｎ（％，＋¨（２．３－１）

其中Ｋ。，ＣＯｌ，１９１分别为输入信号的有效值、角频率、初始相位；圪，ＣＯ。、巩分别为对应各次谐波的有效值，角频率，初始相位。

根据输出信号有效值Ｖ。眦即均方根值定义条件，得到：

ｖｏ圳＝（２．３－２）

式中Ｖｄｉ。为各谐波总失调量的有效值，因此开环放大器输出信号的ＴＨＤｏＬ为：

×１００％（２．３ ３）

第二章ＰＷＭＣｌａｓｓＤ音频功放系统原理

提高开环ＰＷＭ调制器增益Ｋｍ，抑制谐波频谱，成为降低开环系统ＴＨＤ的主要技术措施。

对于图２．３．２所示的闭环反馈系统，与开环类似可得输出如式（２．３．４）所示，其中前馈增益ｋｍ＝ＨｘＫ。，Ｇ为反馈因子。

Ｚ弘２鼢环模

％¨羔一Ｍ一爿Ｋ一Ⅸ生，Ⅶ

则包含Ｖｄｉ。总失调电压的输出信号的有效值为：

Ｖｏ州＝一●型志●ｌ。∑槲（２．３－４）（２．３－５）

闭环放大器的ＴＨＤｃＬ为：

Ⅷ％２鬲ｄｌ￥订００帖ＶＶ

×１００％（２．３－６）

１＋ＨＫ。Ｇ”

比较式（２．３．３）和式（２．３．６）可得：调制器增益为Ｋ。的闭环系统的ＴＨＤ比开环系统ＰＷＭ调制器增益Ｋ。较低，并且因为输入信号摆幅范围的影响，限制了开环前置增益级的引入及其增益的提高。而闭环系统在信号带宽内闭环增益为Ｉ／Ｇ，与前馈增益ＨＫ。无关，有效解决了信号处理中的动态范围问题，因为闭环系统通过引入很高的前馈增益，强制总谐波失真大幅下降。

２．４ＬＣ滤波闭环ＣｌａｓｓＤ系统控制原理

本文所用的闭环系统框图，如图２．４．１所示。

图２．４．１

系统引入电压负反馈主要基于以下考虑【１８Ｊ：闭环系统框图

１）扬声器负载阻抗随频率而变化，并影响系统的频率响应。而系统输出阻抗要尽可能低，且与负载阻抗无关，采用电压负反馈后能够减少输出阻抗，实现阻抗稳定的控制要求。

２）改善ＴＨ肛悄。一阶负反馈起到一阶噪声整形的效果，噪声整形到高频段，使信号内的噪声

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功率进一步降低。

３）改善ＰＳＲＲ。在第三章３．３节无滤波系统设计中会详细分析。

４）提高系统效率。电压负反馈使输出阻抗减少环路增益倍，则负载上可得到更多的功率，提高效率。

闭环反馈结构主要有以下三种形式【１９】：从滤波器前反馈，如模拟∑．Ａ控制、朝（Ｏｎｅ

控制；从滤波器后反馈，如迟滞（Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）控制；滤波器前后均有反馈，如双环控制等。

ＡｕｄｉｏＳｉｇｎａｌＣｙｃｌｅ）

图２．４．２模拟∑．△控制框图图２．４．３滤波式闭环系统框图

模拟∑．△控制输出跟踪输入，反馈通路经低通滤波器的低频信号与输入信号相比较，误差信号通过迟滞比较器，产生开关频率可变的ＰＷＭ信号，如需稳定开关频率可利用相位锁存。由图２．４．２和图２．４．３可知滤波式闭环系统本质为模拟∑．Ａ控制，三角波发生器用来产生控制稳定的载波采样频率。

双环控制是在保证稳定的前提下，在滤波器之前采用高带宽的电流环控制产生ＰＷＭ信号；在滤波器之后采用窄带宽的电压环控制以减少误差。由于负载的影响，反馈只有要加在滤波器后才能最大程度地减少这种影响。但闭环相移大，频率补偿难，并且高的反馈系数很难实现。双环控制将明显增加电路复杂度和成本。电压单环反馈控制的关键在于环路零极点的设置，以确保稳定的前提下，满足ＴＨＤ性能指标要求。

２．５无滤波闭环系统的结构和工作原理

２．５．１基本无滤波闭环结构

基本的无滤波闭环结构㈣如图２．５．１所示。现在普遍应用的８Ｑ动圈式扬声器，其内部线圈具有近似３３“Ｈ的感抗。电阻和电感串联形成一个一阶低通滤波器，可以把脉冲方波还原成模拟信号，而不需要在输出端外加低通滤波器，并且可防止在扬声器电阻上耗散过多高频开关能量。即使依然存在残余开关能量使扬声器组件产生运动，这些频率也无法被人耳听到。