PWM调制的无滤波Class+D音频功率放大器的设计

时间：2025-04-02

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

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

Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｐｏｒｔａｂｌｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｄｕｃｔｓ，ＣｌａｓｓＤａｕｄｉｏＰＡｓｈｏｗｓｒａｐｉｄ

ｇｒｏｗｔｈｔｒｅｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＣｌａｓｓＡＢＰＡｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｆｉｎｅＴＨＤ．

ＴｈｅｐｏｒｔａｂｌｅＰＷＭｆｉｌｔｅｒｌｅｓｓＣｌａｓｓＤＰＡｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｈｅｔｏｐ

ａｒｅｔｏｂｏｕｏｍｗａｙ．Ｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

ｌｅｖｅｌｄｏｕｂｌｅｓｉｄｅｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｒｅｅｓｙｓｔｅｍ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｏｐｅｎ—ｌｏｏｐＰＷＭｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｉｓｃｏｎｆｏｒｍｅｄｆｏｒｔｈｅ

ｓｙｓｔｅｍａｎｄＬＣｆｉｌｔｅｒｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐｓｙｓｔｅｍａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｆｏｒｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ。

Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｉｓｂａｓｅｄｏｎｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅ

ｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆＴＨＤａｎｄＰＳＲＲ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍＬｏｏｐＧａｉｎａｎｄＰＳＲＲｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｒｅｄｅｄｕｃｔｅｄｂａｓｅｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｌｉｎｅａｒｍｏｄｅｌａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙＭａｔｌａｂ．