序論

1.1 簡介

功率放大器於音響系統的撥放過程中，扮演非常重要的角色，傳統的方法是 以Bipolar 為元件作類比式線性功率放大(Class A or Class AB)，推動後級喇叭，

而此方法的功率效益約40~60%之間，其損失之能量以熱能的形式散逸，因此需 要借助散熱元件避免過熱的問題。

然而近二十年來由於製作Power MOS 的技術發展，使數位式功率放大器(或 稱D 類功率放大器；digital power amplifier, or Class D Amplifier)漸漸受到矚目。

D 類放大器最早是由 Baxandall 於 1959 年所提出，不同於類比形式，D 類放大器 以開關模式運作[1]，此關鍵使其功率效益高達 90%以上。圖 1-1 為其示意圖，當 元件不導通(turn off)時，流過之電流為零；而當元件導通(turn on)時，其跨壓幾 乎為零，致使元件幾乎沒有能量損耗幾，對於理想開關，由於沒有切換損失，可 達 100%之功率效益，以目前之 Power MOS 技術，已經可將功率效益提升至 95%[2]。

圖 1-1、D類放大器示意圖

由於功率效益的提高，使D 類放大器於成本及體積上皆優於 AB 類放大器，

例如其較低的電流供應需求可降低電源供應裝置的成本，或增加電池使用的壽 命；又如較小的熱散逸需求可縮減散熱裝置之體積(表 1-1)，因此近年來於手機、

PDA、MP3 Player 等應用漸受歡迎[3]。

Efficiency Size/

Weight Heat Power

Supply EMI

Class

reduction) Low Unipolar High 表 1-1、D類及類比功率放大器比較表

目前聲音及音樂的儲存或傳送已經幾乎全部數位化。例如 CD 唱盤、MP3 Player、數位通訊(GSM, CDMA)、VOIP 及數位錄音等，然而需要播放時，大部 分方法均需透過數位類比轉換器(DAC，Digital to Analog Converter)，將數位訊號 轉換為類比訊號，再輸入功率放大器後驅動喇叭。然而採用 D 類功率放大將可 實現一個全數位式音頻放大器(圖 1-2)，免除 D/A 轉換介面的傳輸失真，使得從 音源數位取樣後到播放間的所有過程全部數位化。

圖 1-2、全數位式音頻放大器示意圖

採用 D 類放大器的另外一個重點為切換式訊號的產生方法，一個好的切換 訊號才能極盡展現 D 類放大器高功率效益的優點[1]。目前可見的架構為構造簡 單的Pulse-Width-Modulation(PWM)調變，以及 Sigma-Delta Modulation(Σ-∆)。

其中，PWM 如其名，是將輸入訊號的大小訊息，經過三角波比較後，即轉 換為雙位準( )的時間寬度，當輸入訊號較大，則高準位的時間較長，反之亦然，

對於理想的PWM，其所產生的切換式訊號沒有諧波失真的問題[4][5]，然而實際 上 PWM 方法會因為三角波的線性度影響[4]，以及數位式調變[6]而產生倍頻雜 訊(THD: Total Harmonic Distortion)，因此為了降低頻帶內不必要的成分，常見設 計將PWM 配合 Noise-Shaping Block 使用[7][5]。而其問題在於數位實現時，為 了增加duty cycle 精度所需的時脈將高達 Giga Hz[5]；除外，於高切換頻率情況 時，會有EMI 的問題[8]，同時，在每一個三角波週期內必定有一次切換，造成 功率級之切換損失無法減低。

±1

而 Sigma-Delta Modulation 源自 Frank de Jager 於 1952 年提出之 Delta Modulator 架構[9]，其原理為利用過高的取樣頻率補償訊號位元數之降低[10]，

圖 1-3、全數位式音頻放大器示意圖

1.2 目標

本論文將以Sigma-Delta 為基礎，證明與分析高階 Σ－∆ 系統的穩定特性，

並設計一穩定之四階系統，於設計範例中將說明Σ－∆ 具有可任意分佈量化誤差 頻率響應的特性。

同時為了延長開關元件之壽命，減少切換損失，降低高頻成分，以及改善小 訊號輸入之響應效果，本論文將闡釋1.5 位元運算之 Σ－∆ 系統的運作概念，並 證明其穩定性，且說明1.5 位元運算相較於單位元運算，有切換次數更低，訊號 雜訊比更高的優點。

最後達成將所設計之調變系統實現於研發測試版，並配合後級之全橋功率放 大器，且於放大器輸出端不需要低通濾波器，直接輸入喇叭作音頻訊號之撥放，

所量測的實際訊號與數據將於本論文最後分析與討論。

1.3 論文貢獻

本論文以[29]為基礎，將其實作平台做高頻響應的改善，並將後級的半橋架 構改為全橋式功率放大器，使系統功率效益達80%以上，除外，本論文證明 1.5 位元運算的系統穩定特性，並模擬比較單位元與1.5 位元之差異。

1.4 章節概要

16-bit digital stereo signal

Modulated control signal through USB in real-time

圖1-4、實作的組成結構；其中虛線部份為實做完成的部分

Streaming audio data

R