高性能免滤波数字D类音频功放的信号调制与误差校正

At present, digital class-D audio power amplifiers usually need external LC low-pass filters to filter the power stage output pulse signals to meet the demands of high efficiency and low Electro-Magnetic Interference (EMI). However, the LC low-pass filters make the power amplifier sizes and costs increase sharply, which affects the spread of the digital class-D audio power amplifiers. In view of the problem, the filterless digital class-D audio power amplifier that don't need LC low-pass filter is studied in this project. To make the filterless digital class-D audio power amplifier obtain high efficiency, low distortion and low EMI, the filterless modulation mechanism for filterless digital class-D audio power amplifiers is studied first. Due to the low harmonic distortion of the left and right growing double-edge Uniform-sampling Pulse Width Modulation (UPWM) and the high efficiency of the three-level UPWM, the time and frequency domain mathematical models for the left and right growing double-edge three-level UPWM signals will be built, respectively. Then based on the pseudo-random modulation theory, the full digital low realization complexity spread spectrum modulation method is studied. Finally, based on the feedforward and feedback technologies, the full open-loop error correction method for filterless digital class-D audio power amplifiers is studied. The studies not only have some academic innovations in the class-D power amplifier field, but also can promote the use of class-D audio power amplifiers.

目前存在的数字D类音频功放通常需要片外LC滤波器对其功率级输出的脉冲信号进行低通滤波后驱动扬声器，以满足高效率和低电磁干扰要求。然而，该LC滤波器大幅增加了功放的体积和成本，影响了数字D类音频功放的进一步普及。针对该问题，本项目对无需输出滤波器的免滤波数字D类音频功放进行研究。为了使免滤波数字D类音频功放达到高效率、低失真和低电磁干扰，本项目对用于数字D类音频功放的免滤波调制机制进行研究，鉴于左、右增长双边沿均匀采样脉宽调制的低谐波失真和三级均匀采样脉宽调制的高效率特性，拟分别构造左、右增长双边沿三级均匀采样脉宽调制信号的时频域数学模型；基于伪随机调制理论，对可全数字电路实现的低实现复杂度扩频调制方法进行研究；基于前馈和反馈技术，对免滤波数字D类音频功放全开环通路误差校正方法进行研究。本研究工作不仅在D类功放领域具有一定的学术创新，而且研究成果对D类音频功放的进一步普及有很好的促进作用。

随着带有音频播放功能的电子设备不断向小型化、低功耗以及高性能发展，免滤波数字D类音频功放，由于相比传统的数字D类音频功放消除了大体积的LC滤波器，因此成为近几年功放领域的研究热点。本项目主要从三个方面对免滤波数字D类音频功放的信号调制与误差校正进行了研究：适用于数字D类音频功放的免滤波调制机制、低实现复杂度的全数字扩频调制方法、免滤波数字D类音频功放全开环通路误差校正方法。在项目执行期间，共发表了学术论文11篇，其中SCI收录的论文6篇，EI收录的会议论文2篇，中文核心论文2篇；申请国内发明专利4项；培养硕士研究生5人，其中3人已毕业。通过项目的执行，我们在三个研究内容上都获得了重要进展。（1）针对适用于数字D类音频功放的免滤波调制机制的研究，提出了当调制信号是数字信号时得到的6种不同类型的二级以及三级均匀采样脉冲宽度调制信号的时域数学模型和频谱估计模型，从而为免滤波数字D类音频功放的设计提供了一种评估信号失真和电磁干扰的工具，具有重要的理论指导意义。（2）针对低实现复杂度的全数字扩频调制方法的研究，分别提出了一种基于双时钟的随机脉冲重复频率扩频调制方法以及一种三频率伪随机可变扩频调制方法。该两种方法都可大幅降低功放输出信号在高频成分上的能量尖峰，以达到降低电磁干扰的目的，具有重要的实际应用价值。（3）针对免滤波数字D类音频功放全开环通路误差校正方法的研究，分别提出了一种改进的数字脉冲宽度调制发生器非线性误差预校正方法、一种用于单端数字D类音频功放的功率级电源误差校正方法、一种基于一阶闭环负反馈的免滤波数字D类音频功放功率级误差校正方法以及一种基于前馈电源噪声抑制和局部闭环负反馈技术的免滤波数字D类音频功放桥接负载功率级误差校正方法。所提误差校正方法可对功放均匀采样脉冲宽度调制以及功率级产生的误差进行有效校正，提高功放的信号保真度，具有重要的应用价值。