UPWM型數(shù)字D類音頻功放關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著電子產(chǎn)品便攜化、數(shù)碼化的發(fā)展，數(shù)字D類音頻功放由于其較高的電源效率和便于與數(shù)字音源接口，成為研究熱點(diǎn)。UPWM型數(shù)字D類音頻功放使用UPWM技術(shù)把數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為開關(guān)信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)功率級(jí)放大信號(hào)，相比其他類型的數(shù)字D類音頻功放，其擁有實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單和調(diào)制的開關(guān)信號(hào)脈沖重復(fù)頻率固定且較低的優(yōu)點(diǎn)。但就目前而言，UPWM型數(shù)字D類音頻功放還未能在音頻功放領(lǐng)域上完全取代傳統(tǒng)的線性音頻功放，主要原因有：UPWM型數(shù)字D類音頻功放內(nèi)部功能模塊的非

2、優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)致其無法兼顧低硬件實(shí)現(xiàn)代價(jià)、高電源效率和高信號(hào)保真度；UPWM固有的非線性會(huì)造成功放系統(tǒng)輸出失真，雖然目前已有一些校正方法對(duì)UPWM產(chǎn)生的失真進(jìn)行校正，但是它們很難兼顧方法的低計(jì)算復(fù)雜度和良好的校正效果；功率級(jí)存在的電源噪聲也會(huì)嚴(yán)重影響功放的性能，雖然通過反饋技術(shù)可以使功放擁有較好的電源噪聲免疫能力，但是設(shè)計(jì)復(fù)雜，通用性差。針對(duì)以上 UPWM型數(shù)字 D類音頻功放目前存在的問題，本文對(duì)UPWM型數(shù)字D類音頻功放的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行

3、了深入研究，取得了4項(xiàng)創(chuàng)新性成果。
　?。?）提出了一種基于多變量優(yōu)化理論和新的穩(wěn)定性判定方案的高階多位數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器噪聲傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)方法。該方法充分考慮數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器各個(gè)系數(shù)的CSD編碼以及其狀態(tài)變量縮放后對(duì)選擇噪聲傳遞函數(shù)的影響，從而可使所設(shè)計(jì)的數(shù)字 Sigma-Delta調(diào)制器在便于實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，得到較好的量化噪聲整形效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該方法設(shè)計(jì)的八階6位數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制

4、器可在輸入信號(hào)為8倍過采樣和最大穩(wěn)定輸入幅度大于0.9FS的情況下，達(dá)到121dB的輸出信噪比，其輸出信噪比優(yōu)于使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的八階6位數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器。
　?。?）分別提出了一種基于三階和一階拉格朗日插值法以及偽自然采樣點(diǎn)位置判斷法的用于后邊沿PWM的偽自然采樣算法，和一種基于非對(duì)稱雙邊沿PWM過程的可分解性以及拉格朗日數(shù)值微分方法的用于非對(duì)稱雙邊沿PWM的偽自然采樣算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提偽自然采樣算法能

5、夠在基本消除UPWM引入的諧波失真的同時(shí)，相比同類算法擁有較低的計(jì)算復(fù)雜度。
　?。?）提出了一種改進(jìn)的基于校正因子的UPWM非線性失真預(yù)校正方法。該方法在校正UPWM產(chǎn)生的非線性失真的同時(shí)，解決了原有方法由于對(duì)數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器加入的校正因子能量往往過大導(dǎo)致積分器輸出飽和甚至震蕩從而造成功放系統(tǒng)性能下降的問題。在所提方法基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA的開關(guān)信號(hào)調(diào)制器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該方法得到的校正因子能量遠(yuǎn)小于使

6、用原有方法得到的校正因子能量，且基本消除了UPWM產(chǎn)生的非線性失真。
　　（4）分別提出了一種新的用于半橋單端輸出結(jié)構(gòu)的數(shù)字D類音頻功放功率級(jí)電源誤差校正方法和一種新的用于H橋差分輸出結(jié)構(gòu)的數(shù)字D類音頻功放功率級(jí)電源誤差校正方法。該兩種方法利用前饋技術(shù)，通過構(gòu)造功率級(jí)電源噪聲測(cè)量電路獲取數(shù)字化的電源噪聲，并在開關(guān)信號(hào)調(diào)制器內(nèi)部添加不同的功率級(jí)電源誤差校正模塊來校正功率級(jí)產(chǎn)生的電源誤差。由于不涉及大功率信號(hào)的反饋問題，該兩種方法擁有

7、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)且校正效果良好的特點(diǎn)，可方便的應(yīng)用于任何開環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字D類音頻功放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，半橋單端輸出結(jié)構(gòu)的數(shù)字 D類音頻功放在使用相應(yīng)的所提方法后 PSRR從6dB提高到45dB，PS-IMD從-12dB降低到-50dB（當(dāng)電源噪聲頻率為50Hz時(shí)）；而H橋差分輸出結(jié)構(gòu)的數(shù)字D類音頻功放在使用相應(yīng)的所提方法后PS-IMD從-6dB降低到-45dB（當(dāng)電源噪聲頻率為50Hz時(shí)），因此，所提方法能使數(shù)字D類音頻功放具有更好的電源