一个2.5W无滤波输出的D类音频功率放大器的研究与设计

摘要

在音频功率放大器的市场上，A类、B类和AB类音频功率放大器一直处于统治地位，但这些音频功率放大器具有效率低、功耗大的缺点，并不是理想的音频功率放大器。而D类音频功率放大器具有效率高、功耗低的优点，采用D类音频功率放大器的设备能够提高电池的寿命，它特别适合应用于无线和手持通信设备上。大功率输出的音频设备具有很大的功耗，所以在大功率输出的音频设备中采用低功耗的D类音频功率放大器也是十分必要的。 本文首先介绍了D类音频功率放大器的技术背景、研究现状、发展趋势和应用前景；其次介绍了几种常用的音频功率放大器；然后深入研究和设计了开关功率输出级，开关功率输出级的性能很大程度上决定D类音频功率放大器的性能：接着设计了D类音频功率放大器的输入级、积分器、主比较器、滤波器、基准电压电流源、振荡器等；最后给出了这个D类音频功率放大器的仿真结果，仿真结果表明这个D类音频功率放大器具有效率高、功耗低、谐波失真低的特点。 本文是基于0.5um的CMOS工艺设计的，电源电压的变化范围是2.5V-5.5V。所设计的D类音频功率放大器能在谐波失真小于10％的情况下，对4Q的负载提供2.5W的输出功率；其优化的系统设计使它能在无输出滤波器的情况下正常工作；在对8Ω负载提供486mW的输出功率时，其效率可达到92％，关断情况下的静态电流小于0.5uA；全差分的输入输出结构提高了系统的电源抑制比、共模抑制比，降低了系统的失调电压和偶次谐波失真。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 D类音频功率放大器的技术背景

1.2 D类音频功率放大器的研究现状

1.3 D类放大器的发展趋势及应用前景

1.4研究课题的来源及主要研究内容

1.5本章小结

第二章音频功率放大器的介绍

2.1 A类音频功率放大器

2.2 B类音频功率放大器

2.3 AB类音频功率放大器

2.4 D类音频功率放大器

2.5本章小结

第三章功率输出级的研究和设计

3.1功率输出级的简介

3.2功率MOS晶体管

3.2.1功率MOS晶体管的工作原理

3.2.2功率MOS晶体管的寄生器件

3.3开关功率输出级

3.4 MOS晶体管的参数对放大器性能的影响

3.4.1击穿电压

3.4.2导通电阻

3.4.3栅电荷(Qg)

3.4.4寄生二极管的反向恢复特性

3.4.5输出电压变化速率(dVo/dt)对MOS晶体管的影响

3.5本章小结

第四章D类音频功率放大器的设计

4.1简介

4.2 D类音频功率放大器的系统设计

4.2.1系统环路设计

4.2.2反馈环路对谐波失真的影响

4.3输入级的设计

4.3.1输入级运算放大器的共模反馈电路

4.3.2输入级运算放大器的噪声性能

4.3.3输入级的输入输出范围

4.3.4输入级运算放大器的失调电压

4.4积分器

4.5脉冲宽度调制(PWM)级

4.5.1 PWM的脉冲宽度调制原理

4.5.2 PWM输出信号的频谱分析

4.5.3比较器的设计

4.6桥式输出级

4.6.1桥式输出的结构

4.6.2 D类放大器的效率

4.7输出滤波器的设计

4.7.1输出滤波器

4.7.2无滤波器设计

4.8基准电压和基准电流的设计

4.9振荡器的设计

4.10本章小结

第五章D类音频功率放大器的仿真结果

5.1 D类音频功率放大器功能仿真结果

5.2放大器输出噪声仿真结果

5.3放大器的电源电压毛刺(SPIKE)仿真结果

5.4放大器的基准电压和基准电流的仿真结果

5.5放大器的振荡器仿真结果

5.6主比较器的仿真结果

5.7系统参数仿真结果

5.8本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢