低EMID类音频功放电路关键技术研究-微电子学与固体电子学专业论文.docx

万方数据 万方数据 Research on Critical Circuit Techniques For Low EMI Class D Audio Amplifier Major: Microelectronics and Solid-State Electronics Advisor: Prof. Zhang Bo Author: Ming Xin 万方数据 万方数据 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 日期： 年 月 日 论 文 使 用 授 权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 摘 摘 要 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 摘 要 D 类音频放大器由于具有高效率、低功耗的优点，被广泛地应用在 PDA、手 机和 MP3 等便携式设备中。但是其独特的开关特性会产生高的 di/dt 和 dv/dt 信号 且具有较宽的干扰带宽，这些电压和电流脉冲会分别在物理和寄生的电路元件中 引入大的交流电流，产生传导和辐射噪声。因此在电磁兼容标准（如美国的 FCC 标准和欧洲的 CE 标准）日益苛刻的今天，D 类功放的应用范围受到了极大的挑战。 如何解决存在的 EMI 问题，已经越来越多地受到人们的重视。 相比传统的 PCB 板级优化技术，从发生源出发的电路设计方法对减小电磁干 扰、节约板级空间更具有实用价值。其中扩频调制技术已经被广泛地研究以克服 滤波器解决方案中存在的问题，然而设计复杂程度、功耗、效率以及芯片成本等 因素限制了这些方法的应用；同时对于 D 类功放而言，扩频调制引入的总谐波失 真和效率衰减也是需要面临的主要问题。此外，当设备工作在无任何外部滤波以 及接有较长扬声器连线的情况下，当输出功率较高时，即便是只有几英寸的喇叭 连线，也会辐射出很高的能量，从而严重威胁着 EMI 性能。这时简单地改变时钟 频率已经不太有效，而是需要优化栅驱动电路结构，改变放大器自身的 PWM 波形， 但是电路复杂程度和由更多功率 MOSFET 贡献的芯片面积将会增加。 本文对比分析了目前报道的先进成果，充分考虑电路难度和设计成本、性能 之间的折中，针对低 EMI、无输出滤波 D 类功放电路与系统进行了深入研究，包 括高精度带隙基准曲率补偿、数字时钟扩频降低传导 EMI 和功率输出级低 EMI 栅 驱动电路等内容，提出了无阻式曲率补偿、伪随机扩频等关键技术和零死区电流 源栅驱动电路架构，主要创新点包括以下几方面： 1. 基于 带 隙基准 温 度 补 偿 的 基 本 理 论 ， 提 出 了 无 阻 式 曲 率 补 偿 技 术 （Non-resistor compensation technique, NRCT, IEEE Trans. Circuits Syst.II, 2010, pp. 767-771），电路利用电流减法器和跨导线性电路产生高阶温度系数的正温电流对 BE 结非线性温度特性进行直接补偿，相比之前报道的无阻式一阶补偿结构极大降 低了温度系数。该技术在 0.5μm CMOS 工艺平台上通过流片验证，芯片面积为 500×200μm2，电源电压 3.6V 下的功耗仅为 0.648mW，温度系数为 11.8ppm/℃，低 频下的电源抑制比大于 31dB。同时针对分段式补偿技术，提出了基于 PN 结反偏 电流（基准温度系数为 2.8ppm/℃）和利用可变增益电流镜及二次校正方法（基准 I 摘 要 温度系数为 1.3ppm/℃）的两种补偿架构，成功实现了具有极低温漂的高精度电压 带隙基准源。 2. 基于扩频调制的基本原理，对比分析了周期调制和随机调制的扩频效果， 提出利用线性反馈移位寄存器的伪随机调制技术（Pseudorandom modulation, PRM, IEEE Trans. Power Electron., 2011, pp. 638-646）来最大幅度地降低 EMI；同时针对 扩频电路可能恶化音频性能的危险，对关键子电路和采用多重滤波器的系统