帶自適應(yīng)電源的高效線性音頻功率放大器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、如今的便攜式電子設(shè)備大都集成了免提接聽(tīng)、MP3音樂(lè)播放和DMB接收等多種功能，越來(lái)越迫切地需要高集成度高效的音頻放大器。開(kāi)關(guān)型D類(lèi)功放相對(duì)于其他類(lèi)型功放具有更高的效率但音質(zhì)較差，且產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)使其在有射頻功能的設(shè)備例如手機(jī)，GPS和FM收音機(jī)中的應(yīng)用受限。AB類(lèi)線性音頻功放音質(zhì)好、沒(méi)有開(kāi)關(guān)噪聲但在實(shí)際應(yīng)用中效率較低。而帶自適應(yīng)電源的高效線性音頻放大器是結(jié)合AB類(lèi)和D類(lèi)兩種放大器優(yōu)點(diǎn)的音頻功放，它能根據(jù)輸入音頻信號(hào)的幅度大小自

2、適應(yīng)地改變功率級(jí)的電源電壓以減小線性輸出級(jí)功率管上的電壓降從而提高效率、降低發(fā)熱、減小元件體積。由于輸出級(jí)仍采用AB類(lèi)結(jié)構(gòu)，不僅能保證輸出信號(hào)線性度還能有效緩解EMI問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)帶自適應(yīng)電源的低成本、高效率和高保真度的線性音頻功放具有良好的市場(chǎng)前景和研究?jī)r(jià)值。
　　本論文研究和設(shè)計(jì)了兩種電源自適應(yīng)變化的高效線性音頻功放，一種是電源電壓軌隨輸出信號(hào)幅度離散變化的G類(lèi)音頻功率放大器。通過(guò)研究音頻信號(hào)幅度的分布特點(diǎn)，分析并推導(dǎo)了多級(jí)

3、離散電源電壓的取值、輸入信號(hào)幅度分布與系統(tǒng)效率的關(guān)系，設(shè)計(jì)輸出電壓隨音頻信號(hào)幅度離散變化的電荷泵為線性功率放大器提供能量，自適應(yīng)地降低了線性功放輸出級(jí)的功耗。在自適應(yīng)電源設(shè)計(jì)中，根據(jù)音頻信號(hào)峰值與平均功率比值較大的特性，使電荷泵在輕負(fù)載下工作于PFM，以提高輕載下的效率；在重載下工作于電流控制模式，以減小電源的輸出電壓紋波。本文提出的帶功率級(jí)分段的PFM控制方式可以根據(jù)檢測(cè)的負(fù)載電流大小，自適應(yīng)地改變電荷泵中功率管的尺寸用來(lái)減小傳統(tǒng)PF

4、M工作模式下的輸出紋波，并且可以避免系統(tǒng)的工作頻率進(jìn)入音頻范圍。為了使單相電源下PMOS和NMOS功率管功耗同時(shí)得到優(yōu)化，設(shè)計(jì)了正端增益加倍、負(fù)端增益壓縮的信號(hào)預(yù)處理電路。設(shè)計(jì)了由兩個(gè)三級(jí)運(yùn)放構(gòu)成的橋式結(jié)構(gòu)的AB類(lèi)線性放大器，并且將功率級(jí)與增益級(jí)電源分開(kāi)以保證功率電源電壓變化時(shí)放大器的穩(wěn)定性。電路利用SMIC0.18-μm3.3V單阱CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)并投入流片。測(cè)試結(jié)果表明，該G類(lèi)功放向8Ω負(fù)載提供功率在小于1.3W范圍內(nèi)時(shí)，THD

5、+N性能均好于0.1％，并且在低功率范圍內(nèi)，相對(duì)于傳統(tǒng)AB類(lèi)的效率有大幅度的提高，非常適合于實(shí)際音頻信號(hào)的放大。
　　另外一種是電源隨輸出信號(hào)幅度連續(xù)可變的I類(lèi)音頻功率放大器。首先根據(jù)音頻信號(hào)幅度的特點(diǎn)提出了單相電源I類(lèi)線性音頻功放的系統(tǒng)架構(gòu)，并推導(dǎo)了這種音頻功放的理論效率。在I類(lèi)音頻功放中，電源變換器采用降壓型Buck結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)負(fù)載電流的大小自適應(yīng)地工作于PWM和PFM兩種模式以提高轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)電流負(fù)載較大時(shí)，變換器工作在P

6、WM模式，此時(shí)產(chǎn)生的電源電壓跟隨輸出音頻信號(hào)的幅度。引入平均電流反饋的PWM控制以擴(kuò)展環(huán)路帶寬，并在Buck變換器反饋輸入端上加以改進(jìn)解決了輸出電壓相位超前的問(wèn)題。該I類(lèi)音頻功放電路是在SMIC0.18-μm3.3V單阱CMOS工藝下進(jìn)行設(shè)計(jì)并投入流片。測(cè)試結(jié)果表明，該I類(lèi)功放向8Ω阻性負(fù)載提供功率在小于360mW范圍內(nèi)時(shí)，THD+N性能均好于0.07％，最大效率達(dá)到82％。功率在90mW范圍內(nèi)時(shí)，效率比AB類(lèi)提高了70％以上，且測(cè)試效