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Student Number 955301022
Author Chi-Shuo Wu(吳啟碩)
Author's Email Address 955301022@cc.ncu.edu.tw
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Department Executive Master of Electrical Engineering
Year 2009
Semester 2
Degree Master
Type of Document Master's Thesis
Language zh-TW.Big5 Chinese
Title Design and Implementation of Class-D Audio Amplifier
Date of Defense 2010-07-03
Page Count 101
Keyword
  • class-D audio amplifier
  • Delta-Sigma Modulators
  • sliding mode control
  • Abstract The purpose of this paper is to explore the design and implementation of class-D audio amplifier. It is known that class-D amplifier is a nonlinear system. Somehow, in conventional method, class-D amplifier is usually designed through linear model. This indirect method in class-D amplifier design could not analyze the stability of the system directly. In this study, several significant class-D amplifiers in the literatures have been reviewed, and DSMs (Delta-Sigma Modulators) was chosen to be the A/D (Analog to Digital) converter for the class-D audio amplifier due to the low cost, simple circuit and accuracy in A/D converting. The sliding mode control design methodology is developed for designing the continuous time integrator DSMs. It effectively solves the problem for not analyzing the system on the stability in conventional way of designing DSMs. Meanwhile it also improves the drawbacks of DSMs which could only reach up to 50% modulation in stable operation and output data rates are more than 1MHz. In this paper, the design of second and third order DSMs are presented. The proposed DSMs enables the modulation rate up to 75% in stable operation and output data rate are decreased to 100kHz〜250kHz.
    Furthermore, some parts of the D/A(Digital to Analog) in the system, which includes the shift of DSMs output levels, power MOSFET gate driver, switching output stage, and lossless low-pass filter for filtering high frequency switching noise, are analyzed and implemented as the practical needs.
    A completed design method of class-D audio amplifier is presented in this study. The proposed amplifier exhibits the features in fast response, strong robustness, easy to implement, and can be produced directly by the commercial electronic elements. Experimental result confirms that the proposed design approach is surely feasible. In the 3.5 ohm load with the RMS output power of 100 watts, the measured maximum power efficiency is 80%, and THD+N that is less than 0.73%, and SNR of 75dB.The proposed class-D audio amplifier can be applied to general audio needs, and is more suitable for the application of the public broadcasting systems that require high efficiency, high power output, such as the air defense alarm system, disaster warning system, outdoor public address system, etc.
    Table of Content 中文摘要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・i
    英文摘要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ii
    誌謝・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・iv
    目錄・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・v
    圖目錄・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・vii
    表目錄・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・xii
    第一章 緒論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1
    1.1簡介・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1
    1.2研究動機與目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1
    1.3研究方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・2
    1.4論文大綱・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・2
    第二章 D類音頻擴大器原理與文獻回顧・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4
    2.1 D類音頻擴大器原理・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4
    2.2 AB類和D類音頻擴大器的效率分析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・6
    2.3 D類音頻擴大器文獻回顧・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・10
    2.3.1 PWM架構A/D轉換器之D類音頻擴大器・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・10
    2.3.2線性/數位複合A/D轉換器之D類音頻擴大器・・・・・・・・・・・・・・・・12
    2.3.3 DSMs(Delta Sigma Modulators)架構之D類音頻擴大器・・・・・・・・・・・13
    2.3.4順滑模態控制理論設計DSMs之D類音頻擴大器・・・・・・・・・・・18
    2.3.5直接控制型D類音頻擴大器・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・18
    2.4 D類音頻擴大器設計考量・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・19
    第三章 基於順滑模態控制之DSMs設計・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・23
    3.1順滑模態控制原理・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・23
    3.2以順滑模態控制理論設計N階DSMs・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・25
    3.3二階DSMs設計範例・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・28
    3.4三階DSMs設計範例・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・36
    3.5模擬結果與分析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・40
    第四章 DSMs硬體電路設計與實現・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・51
    4.1設計同相積分器・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・51
    4.2設計同相加法積分器・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・54
    4.3設計加法器・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・56
    4.4設計量化器・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・57
    4.5設計反相器・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・59
    4.6實現完整DSMs硬體電路・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・59
    4.7實驗結果與分析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・60
    第五章 D類音頻擴大器的實現・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・64
    5.1 D類音頻擴大器整體架構・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・64
    5.2位準轉換與盲時控制電路・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・65
    5.3閘級驅動電路與開關輸出級・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・68
    5.4低通輸出濾波器・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・76
    5.5系統回授架構比較・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・81
    5.6 D類音頻擴大器實驗結果與分析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・84
    第六章 結論與未來展望・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・97
    6.1結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・97
    6.2未來展望・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・98
    參考文獻・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・99
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    Advisor
  • Kuo-Kai Shyu(徐國鎧)
  • Files
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  • approve in 3 years
    Date of Submission 2010-07-19

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