高效率音频功率放大器评述

<正> 《高效率音频功率放大器》(D题)的任务是设计一个在5V电源电压工作的音频功率放大器,要求最大正弦波信号输出功率不小于1W,在中、低功率输出(500mW,200mW)时,有尽量高的效率,并要求在尽量低的电源电压下可以工作。其目的是设计一个适于电池供电的、节电的功率放大器。对于这样的题目要求,本题限制使用D类集成功放,因而必须自己设计D类功放。由于高性能功率场效应管的应用已经很普遍了,因此本设计任务的关键部分是开关控制电路的设计,它直接关系到效率、低电压工作特性指标。     

一种高效2.1声道D类音频功放设计

基于CSMC 0.5μm DPDM CMOS工艺,实现了一种具有2.1声道的D类音频功率放大器的设计,该功放由一个全桥差分输出结构的重低音功率放大器和两个半桥单端输出结构的立体声功率放大器构成。详细介绍了2.1声道D类音频功放的整体结构、前置运算放大器和轨至轨比较器的电路设计。仿真和测试结果表明:在电源电压5 V,该功放可向3Ω负载电阻提供2.5 W+0.6 W×2的输出功率;在电源电压3～6 V范围内,最大转换效率可达90%以上;重低音通道的总谐波失真与噪声之和小于0.7%,立体声通道的总谐波失真与噪声之和小于1%。     

音频功放芯片中AB类输出运放的设计

采用0.6μm DPDM工艺,设计出一款在静态功耗、失调电压、输出摆幅、输出功率、THD、速度和带宽等各方面性能都比较优良的AB类CMOS输出运算放大器,其主要应用于音频功放芯片。采用推挽式功率管输出,其主体部分采用折叠式共源共栅差分电路结构,偏置部分采用外部电流源供电,并使用共源共栅电流镜结构。供电电压为3~5 V,在5 V下的静态功耗为6 mW。能驱动32Ω耳机,其最大输出功率是90 mW。仿真结果表明,电路性能优良。     

高效率I类单电源音频功率放大器

设计了一种高效率单电源I类线性音频功率放大器。采用动态电源电压降低了功率管的压降,从而提高了放大器的效率。峰值输出功率时的最高效率超过80%。采用增益压缩技术使得该电路能够在单电源下工作。避免了使用电荷泵产生负电压,从而降低了电路的复杂度和芯片的面积。采用共模电压共享和对称版图布局降低了电路的非线性。在电源电压转换前后测得的THD N分别是0.01%和0.05%。向8欧姆负载提供的最大输出功率为410mW。与开关型的放大器相比,I类放大器是线性放大器因此具有比较低的EMI。高效率和低EMI的优点使得I类放大器适用于对射频干扰敏感的便携式设备。     

基于GaN HEMT的Doherty功率放大器设计

设计一款基于GaN HEMT的S波段Doherty功率放大器(DPA)。主放大器是采用GaN HEMT设计的AB类功放,辅助放大器是GaN HEMT的C类功放。利用ADS对电路进行仿真,单音测试结果表明,DPA工作频率在2.3~2.4 GHz,输入功率为29 dBm时,工作增益不小于14 dB,输出功率大于43 dBm,功率附加效率超过65%。分析了辅助放大器偏置电压对DPA性能的影响,偏置电压变小,DPA的效率和线性度较好。     

一款改进型AB类音频功率放大器的设计

设计了一种全差分高增益AB类音频功率放大器。该运算放大器利用电流抵消技术以提高增益,并采用一种改进型AB类推挽式输出级结构得到大电流驱动能力和宽摆幅。在0.35 μm CMOS工艺条件仿真得到该运算放大器在5 V电源电压下,开环增益为97.4 dB。输出摆幅范围0.07~4.91 V,静态功耗2.96 mW,功率管的面积＜0.2 mm²,在保证一定指标的前提下节省了芯片面积。     

三级Doherty功率放大器的研究

为了降低基站能耗和简化散热设计,基于可有效提高功放效率的三级Doherty理论,研制了一款平均输出功率为50W的FDD-LTE基站三级Doherty功率放大器,并将其与数字预失真系统结合,在保证线性度的基础上,大幅提高了功放在高功率回退范围内的效率。LTE信号下的实际测试结果表明,设计的功放增益为12.5dB左右,平均输出功率处的功率附加效率(PAE)保持在40%左右,且在整个9dB回退范围内功率附加效率曲线相对平坦。此外,经过数字预失真系统纠正后的ACLR达-62dBc,满足现代功放高功率回退、高效率和高线性度的设计要求。     

基于国产GaN HEMT器件的星载高效固放设计

介绍了一种L波段星载高效固态功放,对其中末级功率放大器的设计、固放热设计以及技术指标进行了详细阐述。末级功率放大器基于国产GaN HEMT器件,采用一种紧凑型的F类设计技术,输出功率大于48dBm,功率附加效率大于70%。对固态功放进行了60°C条件下的热仿真,微波功率管工作结温满足航天降额要求。功放测试结果表明:在工作带宽100 MHz内,连续波输出功率大于47.2dBm,效率大于52%;在温度范围-20°C~60°C条件下,输出功率稳定度小于0.2dB,群时延变化小于0.2ns。设计满足星载固态功放高功率、高效率、高可靠的应用要求。     

D类音频功放的自动增益控制系统

设计实现了一种用于D类音频功率放大器中的自动增益控制系统,通过自动调整D类功放的增益,增大了D类音频功放的输入信号范围,避免了削波失真,使得D类音频功放能够在较宽信号输入范围内保持良好的总谐波失真(THD),且不影响输出功率.该集成了自动增益控制系统的2.5 W单声道D类音频功放已经采用0.5 μm CMOS工艺实现.测试表明,在电源电压5 V、功放增益18 dB、负载4 Q的条件下,访D类音频功放能够在0～2.3 Vrms的信号输入范围内保持总谐波失真加噪声(THD+N)<2%,最大输出功率2.1 W.     

新产品速递

瑞信半导体推出超高性价比音频功放IC瑞信半导体针对平板电脑最新推出两款超高性价比AB/D类全兼容设计音频功放MC4881/MD4113。AB类音频功放MC4881适用于平板电脑和其他内置扬声器的便携式音频设备。在5V电源供电、保证总谐波失真和噪声不超过1%情况下,能够为8Ω负载提供1.2W、4Ω负载提供1.6W功率的稳定输出。MC488内置待机电路,待机电流不超过100nA;另外还内置了杂音消除电路,可以消除芯片启动和关断过程中的咔嗒声或噼噗声。     

便携电子设备中音频功放的发展

目前应用于便携设备中的音频功率放大器,主要分为AB类和D类两种,它们的主要区别就是放大器分别工作在线性区和非线性区。AB类功放性能好,成本低,但效率不高,因此主要应用在小功率输出场合。而D类功放由于工作在开关状态,可以获得很高的效率,特别适合大功率大音量输出的场合,但D类功放应用中也伴随着EMI干扰的问题。随着技术的发展及绿色节能的要求,D类放大器将获得更多的应用。     

用MAX9716设计BTL音频功放电路

在本刊第2期中,笔者介绍了一款小功率的D类功放、＋5V单电源供电、8Ω负载时,输出功率可以很轻松地超过1W,但是由于D类功放固有的EMI问题,使得这类功率放大器对电源性能、电路板的布局等方面十分挑剔。尽管它有着AB类功放望尘莫及的效率,但为此付出的代价就是不得不在克服高频干扰上下一番功夫。所以,如果效率不那么重要时,AB类的功放应当是首选。     

一种饱和功率为21dBm，峰值效率为35%的应用于900MHz RFID阅读器的CMOS线性功率放大器

本文在CMOS 0.18μm Mixed Signal工艺上实现了工作于900MHz的两级差分线性功率放大器,该功放工作于class AB状态。本文探讨了低压下输出匹配和谐波抑制网络,以提高功放的输出功率及效率,降低输出谐波。测试结果表明,在1.8V的电源电压下,功放在900MHz频率的输出饱和功率达到21.1dBm,输出1dB压缩点的功率为18.4dBm,峰值功率增加效率为35.4%,功率增益为23.3dB,各谐波分量也得到很好的控制。两级功放加上PAD的芯片总面积为1.2×0.55mm2。通过单芯片测试以及基于原型机的测试结果表明,该功放可以满足UHF RFID阅读器的应用。     

级联型单级分布式宽带单片功率放大器

报道了一个采用级联型单级分布式结构的宽带单片功率放大器的设计方法和研制结果。文中通过拓扑比较和人工传输线理论研究,分析出该功放设计的难点,并基于仿真实验,给出解决方案。最终研制的两级单片功放在6～18GHz频率范围内线性增益13.5dB,平坦度±1dB,输入输出驻波比均小于2。全频带上,饱和输出功率为300～450mW,功率附加效率大于15%。该宽带单片功率放大器在100mm GaAs MMIC工艺线上采用0.25μm功率pHEMT标准工艺制作,芯片尺寸为2.7mm×1.25mm×0.08mm。     

低功耗音频Δ-Σ D/A转换器

设计了一种适用于音频应用的16位D/A转换器.芯片集成了内插滤波器、Δ-Σ调制器和D类功放,可以独立完成带宽为8 kHz的音频数字信号到模拟信号的转换.内插滤波器完成64倍过采样并消除镜像信号,Δ-Σ调制器实现16位的转换精度.在驱动8 Ω负载时,D类功放实现97 dB的动态范围,最大输出功率达到100 mW,三次谐波小于-100 dB;同时,功率效率大于90%,特别适合低功耗应用领域.设计采用标准0.18 μm CMOS工艺,芯片面积约为2 μm×2 μm.     

低功耗音频Δ -∑ D／A转换器

设计了一种适用于音频应用的16位D/A转换器.芯片集成了内插滤波器、Δ-Σ调制器和D类功放,可以独立完成带宽为8 kHz的音频数字信号到模拟信号的转换.内插滤波器完成64倍过采样并消除镜像信号,Δ-Σ调制器实现16位的转换精度.在驱动8 Ω负载时,D类功放实现97 dB的动态范围,最大输出功率达到100 mW,三次谐波小于-100 dB;同时,功率效率大于90%,特别适合低功耗应用领域.设计采用标准0.18 μm CMOS工艺,芯片面积约为2 μm×2 μm.     

D类功放输出功率调节电路设计

D类音频功放具有高效率的优点,但是随着功率的不断提高,通常需要完善的保护及限制电路。设计介绍了一种用于高功率D类音频功率放大器的输出功率调节电路,可以通过芯片外部引脚输入电压或编程的方式动态调节功放的输出功率。控制方式采用了限制输入信号最大幅度的方法,分别介绍了电路的控制原理与电路实现。测试结果显示,该电路达到了较好的调节效果,具有好的调节线性度,提高了高功率放大器电路的可靠性。     

10-W D类音频功放输出级电路的设计

基于CSMC 0.5μm 40V高压BCD工艺设计了一种适用于大功率D类音频功放的输出级电路.通过合理设置功率管栅驱的死区时间,避免了功率管的同时导通,并使总谐波失真(THD)低至0.05%;通过减缓功率管的栅驱信号边沿,减小了功率管上的尖峰电流,从而使电源上的毛刺电压减小到0.24V;通过对导通损耗和开关损耗的整体考虑,确定了最优的功率管尺寸,在合理的版图面积条件下,达到了93%的效率.     

具有8p秒群延时的3~5千兆赫CMOS超宽带功率放大器

本文提出了一种采用线性相位滤波器模型、用于BPSK调制的3~5GHz超宽带系统的差分功率放大器。本文中功率放大器已经采用中芯国际0.18微米CMOS工艺流片验证。为了达到足够的线性度和效率,本功放工作在AB区域,在-0.5dBm的输入1dB压缩点时,输出8.5dBm功率。功耗为28.8mW, 在3~5GHz工作范围内,增益为9.11±0.39dB,群延时在 8ps之内。     

线性Doherty功放的优化设计

设计了一个高效率、高线性度的射频Doherty GSM基站功放。利用Doherty功放的载波放大器与峰值放大器之间的互调对消技术使Doherty功放的三阶互调干扰(IMD3)改善了11dBc;并通过相位补偿延迟线的前置处理进一步提高了功放的效率,使其效率比常用的平衡补偿线方案提高了4%左右。文中利用两个MRF9060功放管制作了一个GSM频段Doherty功放,其实测1dB压缩点功率(P1dB)达到了130W;双音测试表明:经过4.5dB的回退后三阶互调失真(IMD3)优于-35dBc,此时功率附加效率(PAE)高达47.3%;WCDMA 3GPP的测试结果表明:经过6dB回退后,其5MHz偏移量的邻道功率比(ACPR)优于-40.5dBc,PAE为43.5%,比AB类平衡功放的效率提高了17.8%。结果表明:该设计方案较好地解决了射频功放功率与效率之间的矛盾,适用于射频功放的设计。