数字功率放大器的研究与设计

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1、江南大学硕士学位论文数字功率放大器的研究与设计姓名：冯楚华申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：陶建中20080801摘要数字功率放大器，也称为D类音频功率放大器，是一种脉冲调制型放大器。它与传统的模拟音频功率放大器的主要差别在于功率晶体管的工作状态，即使用脉冲形式的信号来驱动高速的功率开关。数字功率放大器的输出功率晶体管工作在开关状态，理论上效率可以接近100％，因此数字功率放大器芯片被广泛地应用于手机、MP3、MP4、对讲机等以有限电源供电、小功率输出且主板空间有限的领域，是便携式电子产品中不可或缺的一部分。目前国内的数字功率放大器芯片大多依赖于进口，研究具有自主知识产权

2、的数字功率放大器芯片具有广阔的市场前景和实用价值。本文设计了一款单片集成数字功率放大器芯片，主要应用在手机、对讲机等这些对音质要求相对不高的电子产品中。该数字功率放大器芯片使用了全差分脉冲宽度调制结构，实现了免滤波器设计。本文是基于0．5umCMOS工艺设计的，电源电压的变化范围是2．5V．5．5V；可以在5V电源电压下为8Q／32Q负载提供640mW／160mW的最大输出功率和高于90％的效率；在330mW／80mW的输出功率下，放大器总谐波失真小于0．1％；关断情况下的静态电流小于0．2uA；整个系统的静态功耗小于10mW。在文章结构上，本文主要包括调制方案设计、系统结构设计、电路设计与

3、仿真等部分。论文首先从数字功率放大器的市场分析入手，着重研究应用于较小输出功率且主板空间有限的领域的数字功率放大器；针对典型数字功率放大器存在的弊端，提出了解决方案，设计出全差分脉冲宽度调制的调制器结构；根据系统结构，从分析数字功率放大器的效率入手，确定各子电路的性能指标要求，经过电路结构的选择和优化，最终完成运算放大器、三角波产生电路、比较器、输出级和基准源等电路模块的设计，并对上述子电路和整个系统进行仿真。仿真结果表明这个数字功率放大器具有效率高、功耗低以及谐波失真低的特点。关键词：模拟集成电路设计、数字功率放大器、免滤波器、PWM调制AbstractThedigitalaudiopow

4、eramplifier，alsonamedclassdaudiopoweramplifier,isapulsemodulationamplifier．Ithasthemaindifferenceliesintheworkofstatepoweramplifierwiththetraditionalanalogamplifier．Thatistheuseofpulseformsofhigh-speedsignalstodrivethepowerswitch．ItspowerMOSFETperformsasapowerswitchandtheefficiencyofthiskindofaudio

5、poweramplifierCanbe100％theoretically．Thiskindofdigitalaudiopoweramplifierhasbeenextensivelyusedincellphone，MP3player，MP4player,interphone，etc．wherethecapacityofbattery，theoutputpoweraswellastheareaofthemainboardarelimited．Thechipsofdigitalaudiopoweramplifiermainlydependonimportation．Therewillbeabri

6、ghtfutureandabigmarketbydesigningdigitalaudiopoweramplifierICwhichhasproprietaryintellectualpropertyrights．Thispaperpresentsasingle-chipdigitalaudiopoweramplifierIC．Itmainlyusedinmobilephonesandinterphonestotheserelativelylowqualityrequirementsofelectronicproducts．TheproposeddigitalamplifierICusesa

7、fully-differentialpulsewidthmodulation(PWM)schemewhichcanrealizethefilterfreedesign．Thisdesignisbasedonthe0．5umCMOSprocess，andithasawidesupplyvoltage(2．5Vto5．5V)．A640mW／160mWmaximaloutputpowerand90％efficien