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系統識別號 U0002-1001201211542400
中文論文名稱 雙聲道D類音頻功率放大器之差頻消除電路設計
英文論文名稱 The Beat Frequency Cancellation Circuit Design of Dual Channel Class D Audio Power Amplifier
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 100
學期 1
出版年 101
研究生中文姓名 汪信宏
研究生英文姓名 Hsin-Hung Wang
學號 798440193
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-01-05
論文頁數 75頁
口試委員 指導教授-饒建奇
委員-楊維斌
委員-陳信全
中文關鍵字 放大器  自激  全橋式 
英文關鍵字 Class D  PWM 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 音頻功率放大器對於一個音響系統扮演著很重要的角色。但若以功率效益方面來比較,D類功率放大器有較優越的輸出功率表現。對於理想的D類功率放大器而言,它的最大效率理論上是可達到90%甚至100%。
採用自激振盪調制方式的Class D音頻功率放大器IC晶片內部電路設計成可使用在兩個或多個獨立的音效聲道上,在兩聲道功率輸出 PWM 方波訊號會有震盪頻率非同步的情況發生,而產生出所謂差頻的現象,假使其聲音頻率差距在人耳周波數的範圍內,此時IC工作在無音源信號輸出下,就會很容易產生這樣的差頻聲音,雖然聲音微弱但也會很清楚的被人耳所聽到,而造成IC使用上的困擾。
而為了解決這樣的問題,本論文針對雙聲道Class D音頻功率放大器所產生出來的差頻問題而設計出的應用測試電路來做其探討和研究。
英文摘要 Audio power amplifiers play an important role in the audio system.Compared by power efficiency,Class-D power amplifiers have better performance.The theoretical maximum efficiency of Class-D designs is 100%,and over 90% is attainable in practice.
Use the self-oscillation Class D audio power amplifiers IC chip's internal circuit is designed to be used on dual or several multi independent audio channel, and when dual audio channel transmit output power,PWM signal osc frequency is nonsynchronous and result the Beat Frequency. If the difference of sound frequency is within the range for ear's frequency, IC work tends to occur the situation of the Beat Frequency when there is no sound source's signal output at this time.
Although the sound is weak, people can still hear it clearly and which will cause persecution when using IC.In order to solve such problem, this theory is aimed at the problem of the Beat Frequency which is caused from dual audio channel Class D and designs the applied test circuit for discuss and study.
論文目次 目錄
中文摘要..I
英文摘要..II
誌謝..III
目錄..IV
圖目..VI
表目..IX

第一章 緒論..1
1.1 Class D音頻功率放大器發展與背景..1
1.2 研究動機..2
1.3 論文架構..3
第二章 音頻功率放大器..4
2.1 音頻功率放大器..4
2.2 A類音頻功率放大器..6
2.3 B類音頻功率放大器..8
2.4 AB類音頻功率放大器..11
第三章 D類音頻功率放大器原理及基本架構..15
3.1 Class D音頻功率放大器介紹..15
3.2 Class D類音頻功率放大器基本原理與架構..16
3.2.1 全橋式架構D類輸出級..21
3.3 D類音頻功率放大器的效率..23
3.4 D類音頻功率放大器的失真..25
3.5 D類音頻功率放大器輸出級保護..26
3.6 D類音頻功率放大器EMI處理和LC低通濾波器..28
第四章 D類音頻功率放大器頻率差消除電路..31
4.1 自激振盪D類音頻功率放大器基本電路架構..31
4.1.1 自激振盪..32
4.2 D類音頻功率放大器自激振盪原理..34
4.3 D類音頻功率放大器頻率差消除電路設計與原理..38
4.4 頻率差消除電路測試分析及研究..46
第五章 應用頻率差消除電路前後量測結果與差異..54
5.1 D類音頻功率放大器之量測..54
5.2 效率(Efficiency)及功率消耗(PD)測試..56
5.3 總諧波失真加雜訊(THD+N)測試..61
5.4 輸出功率(PO)測試..64
5.5 串音分離度(Crosstalk)測試..67
5.6 信號雜音比(SNR)測試..69
5.7 量測D類音頻功率放大器的應用問題..71
第六章 結論..72
6.1 結論..72
6.2 未來展望與研究方向..73
參考文獻..74

圖目錄
圖 2.1 功率放大器基本架構圖..4
圖 2.2 音頻功率放大器方塊圖..5
圖 2.3 A類功率放大器電路..6
圖 2.4 A類功率放大器交直流輸出波形特性曲線圖..6
圖 2.5a 共集極組態..7
圖 2.5b 共射極組態..7
圖 2.6 B類功率放大器電路..8
圖 2.7 B類功率放大器交直流輸出波形特性曲線圖..9
圖 2.8 B類功率放大器轉移特性曲線..10
圖 2.9 B類功率放大器輸出信號交越失真..10
圖 2.10 AB類功率放大器電路..11
圖 2.11 AB類功率放大器對於交越失真的改善情形..12
圖 2.12 AB類功率放大器交直流輸出波形特性曲線圖..12
圖 2.13 AB類功率放大器轉移特性曲線..13
圖 2.14 AB類的工作點..13
圖 3.1 D類功率放大器基本架構方塊圖..16
圖 3.2 PWM基本架構..17
圖 3.3 D類功率放大器電壓波形..18
圖 3.4 D類功率放大器單端系統架構..19
圖 3.5 D類功率放大器雙端系統架構..20
圖 3.6 D類功率放大器死區時間(Dead time Delay)..20
圖 3.7 全橋式架構D類輸出級和LC低通濾波器..21
圖 3.8 全橋式架構D類輸出波形..21
圖 3.9 負載電阻RL與內阻RDS(ON)..24
圖 3.10 D類功率放大器主要失真..25
圖 3.11 典型被動LC低通濾波器..30
圖 4.1 自激振盪方式D類功率放大器的基本電路架構..31
圖 4.2a 自激振盪負反饋方塊圖..32
圖 4.2b 自激振盪電路方塊圖..32
圖 4.3 自激振盪全橋式D類功率放大器的基本電路架構..34
圖 4.4 D 類功率放大器自激振盪架構PWM信號波形..34
圖 4.5 比較器到VOUT端延遲時間..37
圖 4.6 加入延遲後之波形..37
圖 4.7 (VDD=12V)D類功率放大器全橋式差動輸出頻率波形..38
圖 4.8 頻率差消除電路架構圖..39
圖 4.9 差動輸出端狀態示意圖..41
圖 4.10 頻率差消除電路電流與時間變化波形圖..43
圖 4.11 頻率差消除電路ICA與ICB電流波形圖..44
圖 4.12 (VDD=12V,C1、C2=12pF)應用差頻消除電路輸出頻率波形..46
圖 4.13 (VDD=8.5V)D類功率放大器全橋式差動輸出頻率波形..47
圖 4.14 (VDD=8.5V,C1、C2 =12pF)應用差頻消除電路輸出頻率波形..48
圖 4.15 (VDD=15V)D類功率放大器全橋式差動輸出頻率波形..48
圖 4.16 (VDD=15V,C1、C2=12pF)應用差頻消除電路輸出頻率波形..49
圖 4.17 (VDD=8.5V,C1、C2=10pF)應用差頻消除電路輸出頻率波形..50
圖 4.18 (VDD=12V,C1、C2=10pF)應用差頻消除電路輸出頻率波形..50
圖 4.19 (VDD=15V,C1、C2=10pF)應用差頻消除電路輸出頻率波形..51
圖 4.20 (VDD=8.5V,C1、C2=15pF)應用差頻消除電路輸出頻率波形..51
圖 4.21 (VDD=12V,C1、C2=15pF)應用差頻消除電路輸出頻率波形..52
圖 4.22 (VDD=15V,C1、C2=15pF)應用差頻消除電路輸出頻率波形..52
圖 5.1 硬體電路測試儀器Audio Precision音頻分析儀..55
圖 5.2 (RL=4Ω)右聲道功率輸出VS效率變化圖..57
圖 5.3 (RL=4Ω)左聲道功率輸出VS效率變化圖..57
圖 5.4 (RL=8Ω)右聲道功率輸出VS效率變化圖..58
圖 5.5 (RL=8Ω)左聲道功率輸出VS效率變化圖..58
圖 5.6 (RL=4Ω)右聲道功率輸出VS功率消耗變化圖..59
圖 5.7 (RL=4Ω)左聲道功率輸出VS功率消耗變化圖..59
圖 5.8 (RL=8Ω)右聲道功率輸出VS功率消耗變化圖..60
圖 5.9 (RL=8Ω)左聲道功率輸出VS功率消耗變化圖..60
圖 5.10 (RL=4Ω)右聲道PO=1W失真VS頻率曲線圖..62
圖 5.11 (RL=4Ω)左聲道PO=1W失真VS頻率曲線圖..62
圖 5.12 (RL=8Ω)右聲道PO=1W失真VS頻率曲線圖..63
圖 5.13 (RL=8Ω)左聲道PO=1W失真VS頻率曲線圖..63
圖 5.14 (RL=4Ω)右聲道輸出功率VS失真曲線圖..65
圖 5.15 (RL=4Ω)左聲道輸出功率VS失真曲線圖..65
圖 5.16 (RL=8Ω)右聲道輸出功率VS失真曲線圖..66
圖 5.17 (RL=8Ω)左聲道輸出功率VS失真曲線圖..66
圖 5.18 右聲道對左聲道串音分離度VS頻率曲線圖..68
圖 5.19 左聲道對右聲道串音分離度VS頻率曲線圖..68
圖 5.20 右聲道信號雜訊比VS頻率曲線圖..70
圖 5.21 左聲道信號雜訊比VS頻率曲線圖..70

表目錄
表 2.1 各類型放大器優缺點比較表..14
表 4.1 差動輸出端狀態表..41
表 4.2 加入差頻消除電路後量產測試良率數據..53
表 5.1 Class D音頻功率放大器規格表..55
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