UPWM型數(shù)字D類音頻功放關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著電子產(chǎn)品便攜化、數(shù)碼化的發(fā)展，數(shù)字D類音頻功放由于其較高的電源效率和便于與數(shù)字音源接口，成為研究熱點。UPWM型數(shù)字D類音頻功放使用UPWM技術(shù)把數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)化為開關(guān)信號，從而驅(qū)動功率級放大信號，相比其他類型的數(shù)字D類音頻功放，其擁有實現(xiàn)較簡單和調(diào)制的開關(guān)信號脈沖重復頻率固定且較低的優(yōu)點。但就目前而言，UPWM型數(shù)字D類音頻功放還未能在音頻功放領(lǐng)域上完全取代傳統(tǒng)的線性音頻功放，主要原因有：UPWM型數(shù)字D類音頻功放內(nèi)部功能模塊的非

2、優(yōu)化設(shè)計導致其無法兼顧低硬件實現(xiàn)代價、高電源效率和高信號保真度；UPWM固有的非線性會造成功放系統(tǒng)輸出失真，雖然目前已有一些校正方法對UPWM產(chǎn)生的失真進行校正，但是它們很難兼顧方法的低計算復雜度和良好的校正效果；功率級存在的電源噪聲也會嚴重影響功放的性能，雖然通過反饋技術(shù)可以使功放擁有較好的電源噪聲免疫能力，但是設(shè)計復雜，通用性差。針對以上 UPWM型數(shù)字 D類音頻功放目前存在的問題，本文對UPWM型數(shù)字D類音頻功放的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行

3、了深入研究，取得了4項創(chuàng)新性成果。
　　（1）提出了一種基于多變量優(yōu)化理論和新的穩(wěn)定性判定方案的高階多位數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器噪聲傳遞函數(shù)設(shè)計方法。該方法充分考慮數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器各個系數(shù)的CSD編碼以及其狀態(tài)變量縮放后對選擇噪聲傳遞函數(shù)的影響，從而可使所設(shè)計的數(shù)字 Sigma-Delta調(diào)制器在便于實現(xiàn)的同時，得到較好的量化噪聲整形效果。實驗結(jié)果表明，使用該方法設(shè)計的八階6位數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制

4、器可在輸入信號為8倍過采樣和最大穩(wěn)定輸入幅度大于0.9FS的情況下，達到121dB的輸出信噪比，其輸出信噪比優(yōu)于使用傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的八階6位數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器。
　?。?）分別提出了一種基于三階和一階拉格朗日插值法以及偽自然采樣點位置判斷法的用于后邊沿PWM的偽自然采樣算法，和一種基于非對稱雙邊沿PWM過程的可分解性以及拉格朗日數(shù)值微分方法的用于非對稱雙邊沿PWM的偽自然采樣算法。實驗結(jié)果表明，所提偽自然采樣算法能

5、夠在基本消除UPWM引入的諧波失真的同時，相比同類算法擁有較低的計算復雜度。
　?。?）提出了一種改進的基于校正因子的UPWM非線性失真預(yù)校正方法。該方法在校正UPWM產(chǎn)生的非線性失真的同時，解決了原有方法由于對數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器加入的校正因子能量往往過大導致積分器輸出飽和甚至震蕩從而造成功放系統(tǒng)性能下降的問題。在所提方法基礎(chǔ)上設(shè)計了一個基于FPGA的開關(guān)信號調(diào)制器，實驗結(jié)果表明，使用該方法得到的校正因子能量遠小于使

6、用原有方法得到的校正因子能量，且基本消除了UPWM產(chǎn)生的非線性失真。
　?。?）分別提出了一種新的用于半橋單端輸出結(jié)構(gòu)的數(shù)字D類音頻功放功率級電源誤差校正方法和一種新的用于H橋差分輸出結(jié)構(gòu)的數(shù)字D類音頻功放功率級電源誤差校正方法。該兩種方法利用前饋技術(shù)，通過構(gòu)造功率級電源噪聲測量電路獲取數(shù)字化的電源噪聲，并在開關(guān)信號調(diào)制器內(nèi)部添加不同的功率級電源誤差校正模塊來校正功率級產(chǎn)生的電源誤差。由于不涉及大功率信號的反饋問題，該兩種方法擁有

7、實現(xiàn)簡單，通用性強且校正效果良好的特點，可方便的應(yīng)用于任何開環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字D類音頻功放。實驗結(jié)果表明，半橋單端輸出結(jié)構(gòu)的數(shù)字 D類音頻功放在使用相應(yīng)的所提方法后 PSRR從6dB提高到45dB，PS-IMD從-12dB降低到-50dB（當電源噪聲頻率為50Hz時）；而H橋差分輸出結(jié)構(gòu)的數(shù)字D類音頻功放在使用相應(yīng)的所提方法后PS-IMD從-6dB降低到-45dB（當電源噪聲頻率為50Hz時），因此，所提方法能使數(shù)字D類音頻功放具有更好的電源