D类音频功率放大器中PWM调制方式及死区时间控制研究

摘要

近年来,音频功放类产品高效率的性能需求,使D类音频功率放大器迅速发展。本文在研究了当前国内外主流D类音频功率放大器系统采用的调制方式和实现技术的基础上,对传统PWM调制方式进行改进。改进的调制方式中由于负载两端的差分电压在大部分系统空闲时间内为零,大大降低了整体功耗,同时由于输出端的电流变化幅度明显减小,实现D类功率放大器的无滤波设计。无滤波设计精简了外接元件,大大缩小系统设计体积、降低成本,专为近年来市场上要求越来越轻薄的便携式产品如手机、PDA等应用场合而设计。在D类音频功放电路的设计中,本文首先对系统架构进行了模型分析,对各项指标进行详细的计算和优化。分析D类音频功率放大器系统组成原理;理清系统的主要性能指标;确定系统对调制部分的要求。针对手机、PDA应用中特殊的噪声、RF干扰环境,研究提高PSRR、SNR、THD等性能的电路结构。选择单反馈PWM调制结构,分析影响系统的PSRR、THD、效率等指标的因素,确定系统对各个模块的性能指标要求。基于系统模型参数,分别设计了D类音频功率放大器中主要电路模块。采用改进的PTAT电流基准源结构,实现对由于温度升高引起运放跨导变化的补偿。采用全差分输入运放、全差分积分器,降低了对共模电平的要求,省掉了外接BYPASS电容和输入耦合电容,其中输入运放电路采用斩波放大结构降低了噪声和失调电压。设计PWM调制的核心量化部分比较器电路、输出功率管驱动电路、过温保护电路等。研究了死区时间和非理想因素对系统的影响,在综合考虑死区时间、反向恢复电流和电磁干扰EMI三者折衷关系的基础上对死区时间进行优化设置。本文基于改进的PWM调制方式,构建一款实用的D类音频功率放大器芯片。其中内部三角波信号采用250KHz的频率,内部基准电流为10.24μA,输入电源电压范围为2.5～5.5V。在同事配合下完成所有电路模块设计后,利用仿真工具Cadence对整体电路进行仿真验证。随后进行了电路版图的设计,并采用CSMC0.5微米双晶三金属(DPTM)工艺流片。测试结果显示,低频PSRR为61dB,THD为0.56％(5V、1W、1KHz),输出功率P0为2.1W(5V、THD=10%、1KHz),基本达到预期设计要求。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究的背景、方向(发展现状)和意义

1.2 主要工作

1.3 论文的组织结构

第二章 D类音频功率放大器基本原理

2.1 音频功率放大器发展分支及优缺点比较

2.2 D类功率放大器的分支及优缺点比较

2.3 D类音频功率放大器设计限制

2.4 PWM调制方式的改进

第三章 PWM调制的系统结构分析和选择

3.1 开环PWM调制结构分析

3.2 闭环反馈结构的PWM调制

3.2.1 单环反馈调制结构

3.2.2 双环反馈调制结构

3.2.3 高阶反馈调制结构

3.3 调制结构的选择及相关参数的设计

3.4 芯片设计目标和具体整体结构的确定

第四章 基准源电路及相关电路的设计

4.1 基准电流源电路的功能定义及性能指标

4.2 基准源电路结构的选择及考虑

4.3 静态功耗的考虑以及基准电路的非理想性研究

4.4 基准源电路功能性能仿真验证

4.4.1 温度特性的扫描

4.4.2 电源电压特性仿真

4.5 利用PTAT基准电流源设计过温保护电路

4.6 基准源工作状态检测电路

4.6.1 工作原理

4.6.2 比较器电路的设计

4.6.3 仿真结果

第五章 前级运算放大器电路的设计

5.1 系统对前级放大器电路的性能指标的要求

5.2 运算放大器拓扑结构的选择

5.3 运算放大器的设计

5.4 共模反馈电路的设计

5.5 静态功耗和版图面积的折衷考虑及偏置电路的设计

5.6 性能仿真验证和参数调整

第六章 PWM调制部分电路的设计

6.1 积分器电路的设计

6.1.1 积分器带宽限制

6.1.2 积分器中运放的有限增益带宽积f_u的影响

6.1.3 积分器中低噪声的考虑

6.1.4 积分器的其他设计考虑和最终的电路实现

6.1.5 积分器仿真结果

6.2 比较器电路的设计

6.2.1 电路的设计实现

6.2.2 仿真验证

6.3 输出功率管的设计考虑及输出驱动电路的设计

6.3.1 输出级电路结构的选择

6.3.2 输出功率管的设计考虑

6.3.3 功率管的宽长比和效率的折衷

6.3.4 输出级驱动电路的设计

6.3.5 死区时间、反向恢复电流和电磁干扰(EMI)三者的折衷考虑

第七章 系统仿真、版图设计及MPW流片、测试结果

7.1 系统应用环境

7.2 系统仿真

7.3 版图设计和验证

7.3.1 工艺介绍

7.3.2 电阻电容的匹配性设计

7.3.3 MOS管和Bipolar管的匹配性设计

7.3.4 版图整体布局及考虑

7.4 测试

7.4.1 测试方案

7.4.2 测试条件

7.4.3 测试结果及分析

第八章 结论和展望

8.1 本论文研究总结

8.2 前景展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果