UPWM型数字D类音频功放关键技术研究

发布时间：2017-11-30 13:15

本文关键词：UPWM型数字D类音频功放关键技术研究

【摘要】：随着电子产品便携化、数码化的发展，数字D类音频功放由于其较高的电源效率和便于与数字音源接口，成为研究热点。UPWM型数字D类音频功放使用UPWM技术把数字音频信号转化为开关信号，从而驱动功率级放大信号，相比其他类型的数字D类音频功放，其拥有实现较简单和调制的开关信号脉冲重复频率固定且较低的优点。但就目前而言，UPWM型数字D类音频功放还未能在音频功放领域上完全取代传统的线性音频功放，主要原因有：UPWM型数字D类音频功放内部功能模块的非优化设计导致其无法兼顾低硬件实现代价、高电源效率和高信号保真度；UPWM固有的非线性会造成功放系统输出失真，虽然目前已有一些校正方法对UPWM产生的失真进行校正，但是它们很难兼顾方法的低计算复杂度和良好的校正效果；功率级存在的电源噪声也会严重影响功放的性能，虽然通过反馈技术可以使功放拥有较好的电源噪声免疫能力，但是设计复杂，通用性差。针对以上UPWM型数字D类音频功放目前存在的问题，本文对UPWM型数字D类音频功放的相关关键技术进行了深入研究，取得了4项创新性成果。（1）提出了一种基于多变量优化理论和新的稳定性判定方案的高阶多位数字Sigma-Delta调制器噪声传递函数设计方法。该方法充分考虑数字Sigma-Delta调制器各个系数的CSD编码以及其状态变量缩放后对选择噪声传递函数的影响，从而可使所设计的数字Sigma-Delta调制器在便于实现的同时，得到较好的量化噪声整形效果。实验结果表明，使用该方法设计的八阶6位数字Sigma-Delta调制器可在输入信号为8倍过采样和最大稳定输入幅度大于0.9FS的情况下，达到121dB的输出信噪比，其输出信噪比优于使用传统设计方法设计的八阶6位数字Sigma-Delta调制器。（2）分别提出了一种基于三阶和一阶拉格朗日插值法以及伪自然采样点位置判断法的用于后边沿PWM的伪自然采样算法，和一种基于非对称双边沿PWM过程的可分解性以及拉格朗日数值微分方法的用于非对称双边沿PWM的伪自然采样算法。实验结果表明，所提伪自然采样算法能够在基本消除UPWM引入的谐波失真的同时，相比同类算法拥有较低的计算复杂度。（3）提出了一种改进的基于校正因子的UPWM非线性失真预校正方法。该方法在校正UPWM产生的非线性失真的同时，解决了原有方法由于对数字Sigma-Delta调制器加入的校正因子能量往往过大导致积分器输出饱和甚至震荡从而造成功放系统性能下降的问题。在所提方法基础上设计了一个基于FPGA的开关信号调制器，实验结果表明，，使用该方法得到的校正因子能量远小于使用原有方法得到的校正因子能量，且基本消除了UPWM产生的非线性失真。（4）分别提出了一种新的用于半桥单端输出结构的数字D类音频功放功率级电源误差校正方法和一种新的用于H桥差分输出结构的数字D类音频功放功率级电源误差校正方法。该两种方法利用前馈技术，通过构造功率级电源噪声测量电路获取数字化的电源噪声，并在开关信号调制器内部添加不同的功率级电源误差校正模块来校正功率级产生的电源误差。由于不涉及大功率信号的反馈问题，该两种方法拥有实现简单，通用性强且校正效果良好的特点，可方便的应用于任何开环结构的数字D类音频功放。实验结果表明，半桥单端输出结构的数字D类音频功放在使用相应的所提方法后PSRR从6dB提高到45dB，PS-IMD从-12dB降低到-50dB（当电源噪声频率为50Hz时）；而H桥差分输出结构的数字D类音频功放在使用相应的所提方法后PS-IMD从-6dB降低到-45dB（当电源噪声频率为50Hz时），因此，所提方法能使数字D类音频功放具有更好的电源噪声免疫能力。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN912.2

【参考文献】

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