多媒体高保真功放设计正文1.docx

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多媒体高保真功放设计正文1

多媒体高保真功放设计

目录

1.研究背景1

2.国内外研究现状1

2.1国外研究现状1

2.2国内研究现状1

3.多媒体高保真功率放大器及其设计2

3.1传统模拟功率放大器2

3.1.1A类功率放大器2

3.1.2B类功率放大器3

3.1.3AB类功率放大器5

3.2数字功率放大器5

3.2.1传统数字功率放大器6

3.2.2基于数字信号处理技术的数字功率放大器7

3.3多媒体高保真功率放大器的设计7

3.3.1关于多媒体高保真功率放大器的性能指标8

3.3.2多媒体数字功率放大器的影响因素8

3.3.3多媒体高保真功率放大器的设计步骤9

4.Σ-Δ调制技术的基本原理与种类9

4.1Σ-Δ调制技术的基本原理9

4.1.1增量调制原理9

4.1.2调制解调原理10

4.1.3Σ-Δ调制技术的类型10

5.基于Σ-Δ调制技术的D类功率放大器系统结构11

6.多媒体高保真数字功率放大器电路的设计12

6.1运算放大器的设计12

6.1.1运算放大器的参数分析12

6.1.2运算放大器的结构12

6.1.3积分器电路设计13

6.2选择合适的采样电容13

7.总结14

参考文献：

15

摘要

基于电子信息技术的迅猛发展，大规模集成电路已经广泛应用于我们生活的各个方面，近年来，在半导体技术的带动下，各国高新电子企业在功率放大器方面的研究也已经取得了突破。

音频放大器是人们日常生活中使用最为广泛的放大器之一，根据其原理不同，可以分为模拟功率放大器与数字功率放大器，由于模拟功率放大器已经被数字功率放大器所取代，因此，本文主要研究的对象是数字功率放大器。

然而，在数字音频放大器的研究过程中，关于音质的保真问题一直困扰着研究人员，经过功放后，音频信号将会失真，这对于普通用户来说影响并不大，但是，高端用户群体对于这一问题却无法忍受，这也是各大企业争相研制多媒体高保真功放的主要原因，市场需求就是最大的推动力。

关键词：

多媒体；高保真；功率放大器；设计

Abstract

Basedontherapiddevelopmentofelectronicinformationtechnology,large-scaleintegratedcircuitshavebeenwidelyusedinallaspectsofourlives,inrecentyears,drivenbysemiconductortechnology,high-techelectronicscompaniesinpoweramplifierresearchhasalsomadeabreakthrough.Audioamplifierisoneofthemostwidelyusedamplifiersindailylife.Accordingtoitsprinciple,itcanbedividedintoanalogpoweramplifieranddigitalpoweramplifier.Sincetheanalogpoweramplifierhasbeenreplacedbydigitalpoweramplifier,themainobjectofthispaperIsadigitalpoweramplifier.However,inthedigitalaudioamplifierresearchprocess,thesoundqualityofthefidelityproblemhasbeenplaguingtheresearchers,aftertheamplifier,theaudiosignalwillbedistorted,whichfortheaverageuserisnotbig,butthehigh-endusergroupsforThisproblemcannotstand,thisisthemajorcompaniescompetingtodevelopmultimediahigh-fidelityamplifierthemainreason,themarketdemandisthebiggestdrivingforce.

Keywords:

multimedia;Highfidelity.Poweramplifier;design

1.研究背景

多媒体高保真功放属功率集成电路的重要组成单元，在日常生活数字多媒体产品中得到广泛使用，有着广阔的市场需求。

我国有着全球最大的电子产品消费市场，然而，在多媒体高保真功放设计领域却一直处于落后状态，随着国内市场对功率集成电路的需求日益增加，加快在多媒体高保真功放领域的研究不仅能够快速占领市场，更能够促进我国在功率集成电路技术领域的发展。

2.国内外研究现状

2.1国外研究现状

早在上个世纪年代末，美国的T-T公司就已经在数字功放领域取得了突破性的研究，该公司于1998年推出的DDPTM数字功率处理技术开创了数字功放领域的先河，业内将该技术称作“T”功放，依托DDPTM技术所开发出来的专用数字功放处理芯片被广泛应用于高端电子产品中。

目前，T-T公司所生产的数字放大器评估模块已经达到了500W，甚至在一些高质量的音响产品中能够达到1000W以上，采用该模块的知名品牌有SONY（索尼）、APPLE（苹果）、SHARP（夏普）等等。

继T-T公司之后，美国阿波格公司（ApogeeTechnology）推出了新的数字放大技术——DDX直接数字放大技术，也就是“D”功放。

相比较“T”功放来说，“D”功放的效率更高，并不需要借助数模转换器（DAC），在电子技术频繁更新换代的情况下，“D”功放技术已经全面取代了“T”功放，成为数字功放领域的行业标杆。

随着全球数字功放市场份额的不断扩大，越来越多的新兴技术公司参与到多媒体数字功放的研发、设计中来，并不断推出新的产品，其中以美国TI（德克萨斯仪器）为代表，在对行业知名公司进行兼并重组后，TI获得了更多的市场资源，全面采用PWM技术覆盖其市场，尽管日本SHARP（夏普）工业也在高端多媒体数字高保真功放领域投入了大量的人力、物力和财力，但是，其代表产品SM-SX100高昂的价格让其失去了抢占市场的资格。

在普通级别的多媒体高保真功放设计领域的竞争较为激烈，国外各大公司纷纷推出了具有较强竞争力的多媒体数字音频功放芯片，如NS的LM系列，ST的STA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等等。

2.2国内研究现状

我国在多媒体高保真功放设计方面起步较晚，尽管在上世纪90年代末期，成都天奥公司就推出了具有完全知识产权的“数字音频功放”产品，为我国电子技术发展历史写上了浓墨重彩的一笔。

然而，由于在集成开发领域的技术限制，导致我国集成功率芯片的研制一直处于落后状态，在某些高端国产品牌中，依然无法使用天奥公司的相关产品，大部分多媒体数字音频功放芯片依然需要进口。

为改变这种情况，我国加快了数字音频功放芯片领域的研究，终于在2005年底，以成都华微的《数字音频功放芯片开发与模块制造》项目通过国家电子信息发展基金办公室验收为代表，我国已经具备独立研发、生产多媒体高保真功放的能力，并且，随着国内市场的不断扩展，我国将逐渐在全球多媒体高保真功放技术领域占有以一席之地。

3.多媒体高保真功率放大器及其设计

目前，多媒体功放芯片的控制对象为不同类型的喇叭，对前段电路微弱的声音信号进行功率放大，从而达到驱动喇叭的最低功率要求，将原始的声音进行复现。

传统多媒体音频功率放大系统主要包括以下两个部分：

（1）数字多媒体信号向模拟信号的转变，基于数模转换技术；

（2）利用功率放大技术，对经过数模转换的多媒体信号进行放大。

根据功率放大器的工作原理，可以将功率放大器分为线性功率放大器与非线性功率放大器两种类型。

线性功率放大器也就是传统功率放大器，根据应用技术的不同，可以将线性功率放大器分为A类功放、B类功放和AB类功放三种，在应用特点方面，线性功率放大器对音频信号有着较高的保真度，但是，线性功率放大器的效率却远不及非线性功率放大器。

非线性功率放大器是目前普遍适用的D类功放，由于D类功放开关管的特殊工作模式，导致其工作效率较以往有很大提高。

3.1传统模拟功率放大器

根据传统模拟功率放大器的工作特点，可以将其分为A类功放、B类功放和AB类功放三种。

3.1.1A类功率放大器

基于音频信号的特性来看，A类功率放大器的功率晶体管一直处于线性放大状态，这也是A类功率放大器也被称为A类线性功率放大器。

根据模拟功率放大器的特性来看，A类功率放大器的导通角

，其偏执电

相比较输入电流

有所增加，静态便偏置点Q在负载线的中心位置，放大器的输出器件在整个信号周期中都有电流通过，从而保证功率放大器处于线性工作状态。

在实际应用中，A类功率放大器普遍应用于对声音信号质量要求较高的多媒体设备中。

其原理图如图3-1所示，静态偏置点Q的位置如图3-2所示：

图3-1A类功率放大器原理图图3-2A类功率放大器的Q点

图3-3A类功率放大器PCB设计图

从图3-1和3-2中可以看出，A类功率放大器的输入功率稳定，当音频信号的输入中断后，全部的输入功率将全部消耗在电路中所有电子元器件上，最终以热量的形式体现。

当存在音频信号输入时，功放系统的部分输入能量被用来激励声音，随着声音信号能量的增加，输入能量的转换比也就越高。

根据图3-1和图3-2中的参数，输出负载的平均功率PL、电源输入功率PS、工作效率

的计算公式分别为：

（3-1）

（3-2）

（3-3）

由公式3-3可以看出，A类功率放大器的实际工作效率并不高，大部分输入能量都转换成为了热量，这也是A类功率放大器部分电子元器件过热的主要原因。

为此，在A类功率放大器的设计中，对部分元器件的要求更高，并增加了散热功能。

3.1.2B类功率放大器

作为对A类功率放大器的优化，研究人员设计出一种基于互补式输出结构的B类功率放大器，该类型功率放大器中存在两个晶体管，晶体管的单向导通性使其工作周期只有A类功率放大器的一半，其导通角

，Q点与原理图如图3-4、图3-5所示：

图3-4B类功率放大器原理图图3-5B类功率放大器的Q点

图3-6B类功率放大器的PCB设计图

从图3-4和3-5中可以看出，当输入音频信号为

（t>0）时，输出负载的平均功率PL、电源输入功率PS、工作效率η的计算公式分别为：

（3-4）

（3-5）

（3-6）

根据B类功率放大器的实际工作情况，当

时，以公式（3-6）进行计算后可以看出，此时功放的最大工作效率为78.5%。

根据A、B类功率放大器的能量转换效率

能够证明，B类功率放大器更好的利用了输入能量，导通角

的特性使输入信号与输出信号波形相似，虽然B类功率放大器电子元器件的温度也会升高，但是，这点温度并未影响到功率放大器的正常工作，也不需要使用风扇辅助散热。

B类功率放大器存在信号失真的致命缺点，而这也是由于晶体管的单向导通性导致的，两个晶体管间存在的信号过渡时间，是导致声音失真的主要原因。

3.1.3AB类功率放大器

从功率放大器的名字就能看出，AB类功率放大器是界于A类功放和B类功放的一种新型功率放大器，偏执电流

较小，导通角

，在整个信号输入周期的绝大部分时间，只有一个晶体管在负责信号的处理，只有在零交越点时，两个晶体管才会同时工作。

从电路图的设计来看，AB类功率放大器在B类功率放大器的基础上消除了交越失真现象，使信号的线性特点更加明显。

图3-7AB类功率放大器原理图图3-8AB类功率放大器的Q点

图3-9AB类功率放大器PCB设计图

根据AB功率放大器原理图可以看出，为避免交越失真现象的出现，设计人员使用了两个偏执电压

。

但是，这也带来了一个问题，当没有音频信号输入时，两个晶体管均处于导通状态，电路中的电子元器件消耗掉部分能量，根据实际使用的情况，AB类功率放大器的功率转换效率要小于B类功率放大器，却要高于A类功率放大器。

3.2数字功率放大器

目前，在市面上常见的数字功率放大器也就是所谓的D类功率放大器，根据工作原理的不同，可以将数字功率放大器分为传统数字功率放大器与基于数字信号处理技术的数字功率发大器两种类型。

3.2.1传统数字功率放大器

所谓数字功率放大器，是指使用脉冲调制技术的一种功率放大器，为方便区分，研究人员将该类型功率放大器也称为D类功率放大器（ClassDAmplifier）。

D类功率放大器的功放管使用了快速开关器件，其中常见的有PowerMosfer等。

当快速开关器件处于开关状态时，其电阻值可忽略不计，过流电压为零，也就没有所谓的能量损耗；当快速开关器件处于截至状态时，其内阻为无穷大，电路处于断开状态，也就意味着没有电流通过，能量的损耗也为零。

所以，传统数字功率放大器的理论效率可以达到100%，在实际应用中，该能量转换效率也能够达到95%左右。

基于传统数字功率放大器对能量的有效利用，电路中所产生的热量也就减少，为电子设备的小型化提供了有利条件。

其中，以MP3、MP4、便携式收音机等数码电子设备为代表，此类数码电子设备极大的方便了人们的生活、学习，目前，D类功率放大器已经得到广泛应用。

关于D类功率放大器的研究早在上个世纪50年代末就已经提出，英国著名科学家巴克森德尔（Baxandall）就提出以脉冲形式的信号来驱动高速功率开关。

由于脉冲信号的调制模式为脉宽调制，所产生的信号类型为脉宽调制信号（PWM），该信号的低频部分也就是信号所处的位置，调制信号在通过低通滤波器之后，能够完整的呈现出来。

随着场效应管的出现及大规模应用，D类功率放大器的工作效率得以提高，这使得D类功率放大器的市场化成为可能，传统D类功率放大器的电路原理图如下所示：

图3-7传统D类功率放大器电路原理图

由图3-7可以看年初，模拟音频信号与比较信号（锯齿波）经过比较器进行对比，经过比较器所输出的信号就是脉宽调制信号（PWM），这一信号被用来控制高速功率开关，带有模拟音频信息的脉宽调制信号的电平白拉高，能量增加，达到驱动扬声器的最低水平。

然而，D类功率放大器在实际使用中的关键就是数字信号的转换，也就是脉宽调制信号的形成，如果继续采用传统D类功率放大器的设计思想，就需要使用成本更高的数模转换（D/A）模块，以便于对转换后的模拟音频信号进行放大。

在使用锯齿波进行对比时，音频信号的保真度随着锯齿波的频率增加而提高，但是，由于锯齿波频率的增加，反而会导致以下两个问题：

1）高速功率开关的能量损耗增加；

2）高速功率开关所频繁开关导致的电磁干扰现象严重。

在这种情况下，就应当重新审视传统脉宽调制技术对D类功率放大器应用前景的影响，以及研究克服这一问题的具体方法。

3.2.2基于数字信号处理技术的数字功率放大器

由于传统D类功率放大器在音频信号保真与工作效率之间的矛盾，研发人员提出直接将数字音频信号直接转换为脉宽调制信号的设想，并借助数字信号处理技术，使这一设想得以实现。

基于数字信号处理技术的数字功率放大器在提高了多媒体音频信号保真度的同时，也使得输入能量的转换效率得以增加，甚至在一些设计中，研发人员直接省去了图3-8中的低通滤波器。

图3-8基于数字信号处理技术的数字功率放大器结构图

由此可以看出，基于数字信号处理技术的功率放大器可以实现数字音频信号的脉宽调制，并以此作为高速功率开关的控制信号，经过结构图中的桥式放大电路之后，低通滤波器将放大后的脉宽调制信号进行频率筛选，结合数字信号脉宽调制技术与Σ-Δ调制技术，该类型数字功率放大器得到广泛应用。

Σ-Δ调制（Σ-ΔDeltaModulator）理念的首次提出是在上个世纪60年代初期，在Δ调制技术的基础上，研究人员针对其信号频率与过载电压之间的关系，并以此来解释噪声整形与过取样理念。

在VLSI工艺得到提高的同时，具有高度信号保真度的模数、数模转换器受到市场的追捧，部分研究人员甚至希望采用Σ-Δ调制技术实现数字信号和模拟信号之间的相互转换，并推出了一系列相关产品，例如（Σ-Δ）A/D转换器、（Σ-Δ）D/A转换器、过取样A/D转换器、过取样D/A转换器、过取样噪声整形A/D转换器、过取样噪声D/A转换器等，在功率开关的前后，将数字信号与模拟信号进行了区分，具体如图3-9所示。

图3-9Σ-Δ调制在D类放大器中的应用结构

3.3多媒体高保真功率放大器的设计

基于多媒体市场发展的需要，研究人员从音频信号的保真、能量的转换效率等方面对数字功率放大器不断完善，在多媒体高保真功率放大器的设计过程中，从性能指标、影响因素和关键步骤三个方面进行了深入研究。

3.3.1关于多媒体高保真功率放大器的性能指标

（1）额定功率

在多媒体数字功率放大器的额定功率计算过程中，由于功率的提高导致音频功率放大器的保真度逐渐降低，当保真度降低至99%时，该最大功率就是多媒体数字功率放大器的额定功率，其公式为：

（3-7）

其中，

为最大不失真电压，该失真电压与负载相关，

是该多媒体数字功率放大器负载的额定电阻。

（2）频率相应

所谓频率响应，是指多媒体数字功率放大器电压增益相对于中音频信号的电压增益下降3dB之后，得到的两个固定频率：

上限频率（

）和下限频率（

）。

（3）输入灵敏度

当多媒体数字功率放大器需要输出额定功率时，对应的输入电压就是所谓的输入灵敏度，这里的输入电压值应当为电压的有效值。

（4）噪声电压

在测量多媒体数字功率放大器的噪声电压时，应保证无输入的情况下，检测输出负载

上所存在的噪声电压，用

表示。

（5）电源抑制比

这一参数所表示的是多媒体数字功率放大器抗电源干扰的能力，该指标的计算需要测量输入到输出的增益与电源到输出的增益比值。

（6）共模抑制比

这是多媒体数字功率放大器性能指标中较为重要的一个，是描述功率放大器对工模信号的抑制能力，需要用差模增益与工模增益的比值来表示。

3.3.2多媒体数字功率放大器的影响因素

研究人员发现，在多媒体数字功率放大器的设计过程中，其工作效率与以下几个方面的因素存在不同程度的影响关系。

（1）总谐波失真

在多媒体数字功率放大器的信号处理过程中，将原始音频信号转换成为能量较大的音频信号，两种信号之间存在频率、幅度的差异，该现象的产生是由于输出信号中存在了额外谐波成分，继而产生了总谐波失真现象。

在处理总谐波失真问题时，研究人员总结出了三个方法：

第一，利用反馈控制原理，增加一定程度的负反馈；第二，选择合适的放大器件；第三，在电源器件的选择上，应选择滤波特性较好的电源。

（2）功耗

在多媒体数字功率放大器的设计中，功率的转化效率越高，也就意味着功率放大器在非音频转换中的能量损失减少，然而，事实情况却并非如此，静态功耗与动态功耗的存在，导致多媒体数字功率放大器的应用受到明显限制。

为此，研究人员将大量精力放在了降低功耗方面，并研究出多种降低多媒体数字功率放大器功耗的方法。

例如，功率放大器的模块化功耗分析；多电压设置实现元器件的选择性休眠；采用先进的技术手段降低芯片和封装电容。

（3）噪声

在多媒体数字功率放大器的设计中，信号噪声是不可避免的，并且，噪声是随机的，不可预测的，噪声的存在使得音频信号的保真度降低。

因此，为实现多媒体高保真功率放大器的设计，结合噪声产生的主要原因，研究人员将重点放在了因开机导致的“POP”噪声上，除了增大

的滤波电容外，还可以通过减小输出端的耦合电容来降低“POP”噪声，结合桥式结构“RTL”的使用，产生“POP”噪声的20~20KHz间高次谐波分量得到有效控制。

3.3.3多媒体高保真功率放大器的设计步骤

（1）选择功放结构

在多媒体高保真功率放大器设计之前，需要根据设计指标、目的来选择合适的结构，在部分情况下，功率多媒体高保真功率放大器的设计需要根据客户的特殊要求进行设计。

（2）选择合适的补偿类型

为保证功率放大器的工作效率，研究人员采用了一系列的补偿手段，保证了信号的高质量输出。

常见的功放补偿手段有单电容补偿、RC串联网络补偿、超前补偿等，以容性负载功放为例，需要在前端进行补偿，以达到驱动此类功放的目的。

（3）计算机软件仿真设计

在明确多媒体高保真功率放大器的设计要求之后，可以借助计算机软件进行仿真设计，常用的仿真设计软件有Multisim12.0、ElectronicsWorkbench（EWB）、DesignsoftTinaProV8.0和ProteusProfessionalV7.5SP3。

通过此类软件，能够实现电路的动态仿真，根据设计需要来调整元器件的类型与参数。

计算机软件仿真设计在一定程度上降低了设计成本，并节省了大量时间，减少了多媒体高保真功率放大器的开发周期。

4.Σ-Δ调制技术的基本原理与种类

多媒体功率放大器在音频信号失真与能量转换效率方面有着较为苛刻的要求，在传统A类、B类和AB类功率放大器的基础上，研究人员提出了基于Σ-Δ调制技术的多媒体数字功率放大器。

由于设计的需要，在Σ-Δ调制技术的发展过程中，出现了不同的种类形式。

4.1Σ-Δ调制技术的基本原理

4.1.1增量调制原理

所谓增量调制，也就是Σ-Δ调制技术中的Δ调制，是Σ-Δ调制技术的基础，对于增量调制原理的介绍，需要借助Σ-Δ调制原理图（图4-1）与增量调节波形图（图4-2）来完成。

图4-1Σ-Δ调制原理图图4-2增量调制波形图

增量调制的信号采样频率要远远高于常用的乃奎斯特采样技术，高频率采样实现了信号的保真，并且，在信号经过积分器的过程中，利用两种不同信号的差值进行数字编码，在调节器处理之后，实现了信号的高精度转换。

在图4-1和4-2中的体现为，输入信号

与估计信号

之间的关系需要通过误差信号

的正负情况来判定，当

时，

，此时积分器的输出能量将不断增加；当

时，

，积分器的输出信号能量将不断降低。

由于D触发器的工作频率较高，在功率放大器的设计过程中，可以将D触发器的输出等同于增量调制器输出的信号。

4.1.2调制解调原理

调制解调的对象是输入信号，通过积分器对输入信号进行积分，而后利用Δ调制技术对积分后的信号进行处理，经过Δ调制的信号在解调之后，得到输入信号的估计值，该过程利用了微分原理。

在信号的调制解调过程中，加法器与积分器的顺序可以根据需要进行调整，该调整不会影响到信号的处理结果，由于调节器所使用的三个主要元器件均具有线性时不变的特点，所以，其位置也可以任意设置，其原理图如下所示：

图4-3调制/解调原理图

4.1.3Σ-Δ调制技术的类型

根据技术发展的需要，研究人员设计出了三种主要的Σ-Δ调制技术，分别为单环一比特量化、多级噪声抑制接连、多比特量化。

单环一比特量化技术是目前较为常见的Σ-Δ调制技术类型，其中以一阶调制器、二阶调制器和三阶调制器最具代表性，低于三阶的调制器也被称为低阶调制器，大于等于三阶的调制器被成为高阶调制器。

多级噪声抑制连接调制技术也就是多环级联结构，在多媒体高保真功率放大器的调制