D类数字功率放大器电路失真分析和其负反馈方案讨论.pdfVIP

第6 卷第1 期 电路与系统学报 Vol.6 No.1 2001 年 3 月 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS March, 2001 文章编号:1007-0249(2001) 01-0022-05 * D 类数字功率放大器电路失真分析及其负反馈方案讨论 李志刚 石 寅 (中国科学院 半导体研究所,北京 100083) [1] 摘要 本文采用Bennett 方法 对 D 类数字功率放大电路进行失真分析 在此基础上讨论了用负反馈设计来降低 失真的可行性方案 以一个10-W 放大器为实例 分析仿真结果表明 THD 为0.03-0.6% 能量转换效率达89% 关键词 D 类放大器 功率放大器 中图分类号 TN772.7 文献标识码 A 1 引言 传统A 类 AB 类放大器为了获得高保真度必须设置工作点 偏置静态电流 放大器存在闲置功 [2] 耗 能源效率低 AB 类放大器的效率一般不超过 70% A 类更低 能源效率低意味着放大器自身 能耗大 传统放大器一般需配置散热器 增加了放大器及其所构成整机的体积 基于脉宽调制原理的 D 类放大器是一种工作于开关式的数字放大器 无需偏置电流 闲置功耗极低 能源效率很高 理论 [3] [4] 上应为 100% D 类放大器的原理 虽在五十年前就被提出 但其工作配套电路复杂 增加了放 大器的成本亦增加了能耗 反过来又影响了放大器的能源效率 因此几十年来 D 类放大器较少付诸 实用 进入九十年代以来 半导体集成制作工艺的发展 尤其是以 CMOS 电路为主要部件的制造工 艺的发展 使得 D 类放大器及其控制电路已能实现单片集成 芯片中放大器自身能耗低 而 CMOS 构成的配套电路能耗亦低 整个芯片无需外加散热装置 体积小 效率高 功能强 这些特性满足了 日益发展着的小型化要求及低能耗的环保期望 使得D 类放大器的研究开发倍受重视 有人预言 D 类放大器将成为新一代的主流功率放大器[4] 与传统放大器相比 D 类放大器的失真性能较差 这亦是以往限制 D 类放大器应用的一个主要 因素 文献[1] [5] 只是对脉宽调制进行了原理上的分析 没有对具体电路实现时存在的各种失真因 素进行分析 文献[6]也仅从实验上观察了影响电路失真的几种因素 本文首次对 D 类放大器的失真 进行分析 在此基础上讨论了用负反馈减小失真的可行方案 从实用出发 本文给出了一个 10-W 放 大器设计和仿真分析的实例 结果表明THD 为0.03-0.6% 能量转换效率达 89% 2 D 类数字放大器工作原理简述 D 类数字放大器基本的工作原理是 基于 Nyquist 采样定理 采用脉宽调制方式对经预 放大的输入信号进行采样变换 变换所产生的 数字信号脉宽与对应采样点信号的幅值按一定 图2-1 自然采样双边调制PWM 的D 类放大器原理框图 关系变化 再以此数字信号来驱动功率开关晶 体管 使之产生具有输出功率的变脉宽数字信号 后经滤波器还原出功率放大后的模拟信号 其中脉 宽调制 Pulse-Width Modulation 简称 PWM 可实现的方案很多 有自然采样和同一采样 单边调 [5][7] [5] 制和双边调制