PWM调制的无滤波Class D音频功率放大器的设计

　　随着便携式产品需求量不断增加，Class D数字功放因相比Class AB线性功放更符合便携式发展趋势从而成为研究热点。Class D功放的发展趋势为保持效率优势的同时成本降低、音质趋近ClassAB功放，本文就围绕这两点展开。

　　本文采用正向设计的方法，设计了一种应用于便携式产品中的PWM调制无滤波Class D音频功率放大器系统。根据便携式产品对音频功放的要求，设定了合理的系统性能指标和详细地论证了系统结构的选择。性能方面分析了效率和THD的影响因素和改进方法。结构方面根据无滤波系统的性能要求选择三电平双边PWM采样调制方式。同时设计了闭环滤波式结构和基本开环结构，以进行性能比较，突出无滤波调制方式的先进性。

　　主要从系统稳定性、THD要求和PSRR要求三个方面进行无滤波调制的系统设计。首先建立系统的线性模型，推导出各模块电路的传递函数及系统环路增益和PSRR的表达式。明确了在确保系统稳定的前提下折中THD和SNR的设计思路。最后进行Matlab验证。

　　通过系统设计分析出关键模块电路的性能指标，从而进行具体模块电路的结构选择和参数设计。重点设计了功率级和一阶积分器，同时设计了三角波发生器、前置放大器、比较器、偏置和模拟地产生电路。

　　采用CSMC 0．5ttm工艺，运用Cadence和Hspice软件，对系统进行了仿真验证。首先验证了闭环无滤波系统在2．5V至5V内可以正常地工作；8Q负载下最大输出功率为1．2W；系统的转换效率最高可达90．13％；8Q负载、O．5W输出功率、5KHz输入信号频率条件下THD最低可为0．3935％；其次，从效率和THD性能指标的角度，比较了开环结构、闭环滤波式结构和闭环无滤波结构。效率方面，闭环结构优于开环结构；大功率时闭环滤波式系统和无滤波系统的效率一样，小功率时闭环滤波式系统的效率略高于无滤波系统的效率。THD方面，两个闭环结构THD相对开环结构均有所改善，但无滤波闭环结构的性能优于开环结构。由此证明闭环无滤波结构的先进性。

　　本文主要创新点：采用正向设计的方法，根据系统设计分析出关键模块电路的性能指标。从理论上推导出在版图设计上提高效率的方法。设计出无滤波式BTL功率级的电路结构。

　　对于需求巨大的便携式产品，无滤波调制Class D功放极大地节省了板级面积，降低了成本，同时满足便携式基本的性能要求，具有广阔的应用前景。

　　本章首先介绍了音频功放的应用领域和分类。根据便携式应用，肯定了无滤波Class D功放的研究意义；比较音频功放两大类Class D功放与Class AB功放的优缺点，分析出Class D功放的现状和发展趋势。比较了Class D功放两大类PWM功放和Σ．△功放的优缺点。由此确定本论文系统的结构和各项性能指标。最后简要概括了本文主要工作和章节安排。