（机械制造及其自动化专业论文）高性能d类音频功放的ic设计.pdf

摘要 高效、节能的d 类音频功放相比a b 类音频功放却具有谐波失真度高、噪声大 的缺馅。针对这个问题，本文研究设计了具有对称结构双路p w m 调制的d 类音频功 放提高了共模噪声抑制能力和减小谐波失真度，拓宽了输出音频的幅值范围，实 现了无滤波输出。 论文研究针对d 类音频功放输出品质低的问题，提出了全差分、双p 删调制、 双反向音频对称功率输出结构，给出了m o s 管调制全桥推挽式( b t l ) 芯片架构设 计，提高了音频功放输出品质，减小了芯片面积；优化设计前置放大器的通频带 为音频频率工作范围，实现了对输入信号的非音频成分的滤除；采用a g c ( 自动 增益控制) 调整系统增益技术，设计了信号限幅模块，消除了音乐刺耳现象；优 化了驱动功率管的死区时间，既保证了音频功放输出品质又有效地限制了功率管 电流尖峰的通过，保证了功率管的正常工作；为保护系统工作，还设计了芯片内 集成的过流保护( o c p ) 和过温保护( 0 t p ) 电路模块。 论文使用c a d e n c e 的s p e c t r e 和h s p i c e 进行了电路的仿真验证，使用c a d e n c e 的v i r t u o s o 进行了版图的设计，采用华润上华0 5 姗线宽c m o s 工艺，完成了对 该芯片后端生产以及性能测试，所得到的产品在电源电压为5 5 v 下能够为4 q 的 负载提供3 2 w 的功率，为8 q 的负载提供2 w 的功率，工作效率可以达到9 0 ，1 h d + n ( 谐波失真加噪声) 最低能达到0 0 2 5 。芯片内的a g c ，0 t p 和o c p 功能模块全部 工作正常，所开发研究的芯片技术在国内处于领先地位，具有广泛的市场前景。 关键词：d 类；a g c ；效率；失真 a b s t r a c t c 叩a r e d 丽mc l a s s a ba u d i o 觚l p l i f i c l a s s da u d i o 锄1 p l i 丘e rh a sr e l a t i v e l y l l i 曲t 皿+ n a st o 仳sp r o b l e m ，“sp a p e rr 印r e s e n t sad o u b l e - s i d em o d u l a t i 叽 t o p o l o g y ，s ot h es y s t e mi i i 】i p r o v e sc o i 】1 m o nm o d er 白c c t i o nr a t i o 觚da c h i m ss m a l l e r d i s t o n i o n m 0 r e 0 v e r ，“d o l l b l e st l l e 伽印u ts w i l l ga n dm a k e s 叭呻眦6 i t c fn o ta n e c e s s “y t 0s o l v et h et h d p r o b l e mo fd a s s - da u d i oa l p l i 丘m em u i tu s e s ( 瑚f e r e n t i a l t 叩o l o g y ，i n t e 孕a t o rj l lc i r c u i ti sd i 丘打e n t i a l ，趾di t0 u t p u t s 铆oa u d i os i 印a l s 砌c h h a v ei i l v e l tp h a s e t h en u m b e ro f p w mm o d u l a t o r sa n dd i v ec i r a 】i ta r ec h a n g e d 丘o m 衄et 0 俩，s 0t 1 1 a tm es y s t e mc a i lp r o c e s st l l e 铆oa u d i os i 印a l s 谢i l i c hh a v ci 芏l v e f t p h a s e m o r e o v 血l l y d i f l h e n t i a ls t m c t u r er e ( 1 u c 船t l l ec l l i pa r e a w el l s eh - b r i d g ea s o 咖u tp o 、) i ，e r 啦u c t u r e ，b e c a u s eo f t h el o wp 0 饼c o n s 咖叩d o no nn l ep o w e rs 丽t c h e s ， t h es 舛锄h a s1 1 i 曲e 伍c i 饥喵p r e a m p l i f i e r sp a s sb 锄di sd e s i 9 1 l c dt o 丘tm ea u d i o b a n 也丘h e r i n g 盘e q u e n c ym a ti sn o ti i l 廿l ea u d i ob a n d ；t h ec h i pi 1 1 t e g r a t 锶a g c f u n c t i o nt oa d j u s tg a i na l i t o m a t i c a u mw h e na u d i os i 母1 a le ) 【c e e d si t sp o w e rl i m i t s ，i t 谢na v o i dd i s t o n i 吼o f t l l es i 弘a l ，b yw h i c hw ec 孤i i n p r o v ea u d i oq u a l 毋m da l s o p r o t e c ts p e a k e r 丘o md a m a g ea t1 1 i 曲p o w e rl e v e l s ；b yr e a s o n a b l ys e n i n gd e a dt i i l l e0 f m ep o w e rm o s ，i tc 吼a v o i d h u g ec u 玎e n t 缸0 u 曲p o w e rm o s ，o t h e r 丽s e 岫t 埘u c a u s ed e a d l yd 鲫舱g et o 吐1 ep o w e rm o s ；t h ec h i pa l s 0 i 1 1 t e 蓼a t e st l l e 咖a l 锄d o v e r - c u r r 锄tp r o t e c t i o n s 谢n la u t o i 沁c o v e r y w i t l lc s m c0 5 u n ls t a i l d a r dc m o sp r o c e s s ，w ef i n 油a l lt h ed e s 咖a n d s i i i l u l 撕0 ni i ld e t a i lo ft h e m o l ec i r c u i t ( 0 nh s p i c e 眦ds p e c t r ei l lc a d e l l c e ) ，t l l e l a y o u t ( o n n u o s oi nc a d 饥c e ) ，t h ep r o c e s sa n de v a l u a t i o n t 1 1 ed 嘶c ei sa b l et o p r 而d e3 2 wp 娟惯硫oa4 qs p e a l ( e ra 1 1 d2 wp 伽嘲。血。觚8 qs p e a l ( e r 吼d e r 5 5 vp o w e rs u p p l ma i l di t se 瓶c i e i l c yc 锄a r c h i v e9 0 ，t h 】x ni sa sl o wa so 0 2 5 b e s i d e s ，o t eo c p a n da l i ： c 、) l ，a i r ka sw h a t 、) l r e 唧e c t t h ed e v i c eh a sac o i n p e t i t i v e e d g ei i ld o m e s t i cp o n a b l ed e v i c em a r k e t k e y w o 尉d s ：c l a s s - d ；a ( 迁；e 伍c i 明c ) ，；d i s t i a r t i o n m 第一章绪论 第一章绪论 1 1d 类音频功放的研究背景 音频功放从发明到现在快有一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一 个应用就是音频功放。但是直到现在为止，它还在不断地创新、发展、前进。主 要是因为人类的听觉是诸多感觉中的非常重要的一种，也是最基本的一种。为了 满足人们的不同需要，音频功放就要不断地加以改进来适应时代。 自2 l 世纪以来，便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。 从作为娱乐设备的n l p 3 音乐播放器，到作为基本通讯设备的手机，已经发展成为 差不多人人具备的便携式电子设备。以后陆续会普及的还有便携式d v d ，便携 式电视机等等。所有上面提到的便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频 输出，也就是说都要有一个音频功放；另一个重要特点就是它们都是电池供电的 都希望能够有较长的使用寿命( 这也是所有便携式设备的特点) 。就是在这种需 求的背景下，虽然传统的a b 类功率放大器具有较好的线性度，较低的失真，可 是工作效率较低的问题一直无法很好地解决【l - 3 】。d 类音频功放就是在这样的背景 下应运而生的。它的最大的特点就是能够提供极高的效率，延长电池的使用寿命， 这也是响应了当今世界“节能环保”的口号。 d 类音频功放的最大特点就是它可以在保持最低失真度的状态下得到最高 的效率。值得一提的是，高效率的音频功放不仅仅在便携式的设备中需要，在大 功率的电子设备中也需要。因为功率越大，效率也就越重要。同时，随着人们的 居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也在慢慢开始兴起。这些 设备往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率【4 。5 】。这时，低失真、高效率的音频 功放就成为其中的关键部件，所以说d 类放大器在这些设备中也扮演了极其重要 的角色。 高性能d 类音频功放的i c 设计 1 2d 类音频功放的研究意义和现状 d 类音频功放的显著特点是放大器的输出级只是瞬间通过一下饱和区域( 死 区的时候) ，而大部分时间不是停留在线性区就是截止区，上管线性则下管截止， 或者相反，输出器功耗大大降低。输出信号比输入信号变得更正或者更负，也就 是输入信号被大大地放大了。在常规的晶体管放大器中，输出级上的晶体管需要 提供时刻连续的输出电流。 音响系统可以采用多种实现形式包括a 类、a b 类和b 类等，与d 类功率放大 器相比，这些放大电路即使是效率最高的线性输出级，其功率的耗散也很大。这 一显著的差异决定，d 类功率放大器会在许多应用方面具有极大的优势，因为其 较小的功率耗散意味着更低的发热量、较小的电路板空间及成本的节省和便携式 系统的电池工作时间的延长等m 。 半导体技术刚起步的时候，晶体管集成电路的开关特性比较差，还不能满足 d 类音频功放的技术要求，因此对d 类音频功放的研究开发有相当的困难，研究 开发只局限于理论上。随着后来场效应管( m o s f e t ) 的出现，其开关特性很好， 工作效率高，开关速度快，管压降小，功耗低等优点，恰好适合用于d 类音频功 放的研究开发【8 】。近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的m o s f e t 也己用 得很普遍，该管在开关特性、导通饱和压降和截止漏电流特性都有较大的改善， 所以其应用到音频开关放大器上，能大大提高其可靠性和保真度。故d 类放大器 在便携式设备上的应用具有很大的优势，受到许多开发商的青睐。 d 类音频功放采用的技术为脉冲宽度调制技术删( p u l s ew i 拙 m o d u l a t i o n ) 。将音频信号与三角波或者锯齿波信号相比较，经采样，得到脉冲 宽度与音频信号幅度成比例变化的p w m 信号，然后经过驱动电路，送入功率放 大级，通过p w m 信号控制功率器件的开关，实现放大。最后将放大的p w m 信号 送入低通滤波器，将放大了的音频信号提取出来。d 类功率放大器工作于开关状 态，理论效率可达l o o ，实际的运用通常在8 0 以上。在低输出功率的情况下， d 类功放的效率远远高于a b 类功放。这使得将它应用在移动多媒体设备上时， 相比于a b 类音频功放能大大延长电池的使用时间。同时d 类功放产生的热量小， 可以大大较低对散热的要求，输出功率可以很容易达到数百瓦。凭借其高效率的 2 第一章绪论 特点，d 类放大器现在开始逐渐取代a b 类放大器进入便携式产品、家庭影音设 备、专业影音、汽车电子等多个领域，这些不同的应用对d 类放大器要求千变万 化，这推动了d 类放大器产品的多样化和复杂化，各大半导体设计公司纷纷推出 性质日趋完善的d 类放大器设计。d 类放大器销售总值也逐年快速上涨。 虽然d 类音频功放在效率上有极大的优势，但是自身也有一些缺点。 1 e m i 干扰，当该芯片用在手机等无线通信设备内部时会对手机内其他 芯片造成干扰。 2 谐波失真比a b 类功放高。 3 低通滤波器占用额外面积并且提高了成本。 为此全球各大知名半导体公司提出了各自相应的解决方案，比如德州仪器公 司的无需滤波器的调制方案，美信的零死区时间技术以及扩频调制技术等。无需 滤波器的调制方案可以节省电路板的空间，降低成本，零死区时间可以降低音频 信号的非线性失真，扩频调制技术可以降低放大器的e m 【干扰。这些技术使得d 类音频功放的性能日趋提升，拉近了它在成本和音质上与a b 类差距。以德州仪 器公司的t p a 2 0 1 0 为例，当其输出功率为1 0 0 m w 时，效率即可达到8 0 ，输出 功率为4 0 0 m w 时，效率可高达8 7 ，远远高出a b 类音频功放在该输出功率时的 典型值。由于其调制波的频率为2 5 0 七，远远高于音频信号的频率，因此大大 降低了谐波失真，t ) + n 最低可达0 0 2 ，音质接舳类。同时，它还采用 了无需滤波器的调制方案降低了应用成本，缩小了与a b 类音频功放价格上的劣 势。 1 3 论文的主要工作 本课题主要研究d 类音频功放的集成电路实现，电源电压范围2 7 至5 5 v ，输 出功率可达3 2 w ，效率高于9 0 。电路采用0 5 u l n 线宽的华润上华工艺实现， 并给出了d 类音频功放主要模块电路的设计，完成了各个模块和系统的仿真结果 以及版图的设计。 本文各章节内容安排如下： 第二章阐述d 类音频功放的架构与工作原理： 3 高性能d 类音频功放的l c 设计 第三章介绍了本芯片时序电路的设计和仿真； 第四章讲解d 类音频功放中模拟子电路和整个系统的设计和仿真，模拟子 电路包括输入级轨对轨运放，全差分运放积分器，自激振荡电路，o t p 电路， o c p 电路，带隙基准电路，共模基准电压产生电路； 第五章讲述版图设计中采用的技巧以及系统的整体版图，芯片封装以及各项 指标的测试； 第六章为论文的总结。 4 第二章c l 勰s d 音频功放的架构与工作原理 第二章d 类音频功放的架构与工作原理 2 1 选择合适的架构 设计这款d 类音频功放的核心问题是设计一个有优良特性的脉宽调制架构。 d 类音频功放的基本架构主要分为p w m 脉宽调制架构，z - 过采样调制架构， 还有“梆梆”控制方式。 脉宽调制是将幅度变化转变成矩形脉冲宽度变化的一项技术，其核心是采用 三角波与音频信号进行比较取样，将音频信号的幅度的大小信息转化成相应的时 间量，反映在输出矩形脉冲的宽度上，是一种比较容易实现，应用比较广泛的简 单架构，采样波，比较器如果做得出色的话，失真度也可以做到很低，一阶窆 过采样调制常常会被应用到高端助听器等设备中，虽然在高调制深度( 设调 幅信号的最大振幅为e m a x ，包络最小振幅为e m i n ，则调制深度为： m = ( e m a x e m i n ) ( e m a x + e m i n ) ) 的时候，一阶过采样调制的线性度会更 好点，但是如果调制深度小一点的话，脉宽调制也不会逊色很多，调制深度其实 在电路的设计中是可以控制的。除此以外，乏- 过采样调制架构的结构会更加 复杂，会消耗更多的功率，这明显增加了产品成本和产品的使用产品，这是此架 构一个致命的缺点，还有一种不主流的架构是“梆梆”控制方式，这种调制结 构上和z 过采样调制架构一样复杂，线性度却和p w m 脉宽调制架构差不多， 所以放弃这种控制方式【9 】。通过各个控制方式的比较和分析，本文决定采用p w m 脉宽调制架构。 与传统的模拟功率放大器相比，脉宽调制功率放大器的功率管完全工作于开 关状态，所以消耗在功率管上的功耗都非常低，因此脉宽调制功率放大器在效率 上占有突出的优势。但是，功率放大器只有高效这一指标还不够，还要保证一定 的失真度。脉宽调制型功放的失真主要分调制环节的信号幅度失真和解调环节的 信号相位失真。 调制环节由三个部分组成：信号输入部分，三角波发生器，比较器，在调制 过程中，引起失真有三个方面【1 0 】：信号的采样失真，非线性调制失真和调制度 高性能d 类音频功放的l c 设计 范围选择不当引起的失真。 图2 1 是分别采用6 0 k h z ，1 2 0 k h z ，2 0 0 k h z 和4 0 0 k h z 四种频率的三角波作 为载波，对2 0 k 比的正弦信号进行脉宽调制，还原后的波形图。 f 、 、r、 ， j v l 1 ， l ( i ) 龟叫删z l 一、，、 八 l 、 - 一、 r、厂一、l lf、 秭妒1 2 i k h z ，、 ，、 ， - 一 ， 、 图2 1 音频信号采用不同频率的三角载波但在同解调器下还原的波形 图2 1 的实验表明，载波的频率越高，音频信号的失真就越小，对于高保真 的音频功放而言，载波的频率不低于2 0 0 k h z ，本文载波的频率设在2 5 0 k h z 。 脉宽调制信号的产生是三角载波和音频信号比较的结果，所以三角波的斜边 线性的好坏决定着调制线性的好坏。三角波电压一般是通过周期矩形波电源对电 容元件充放电的方法来实现的，根据伏安特性： 1 们( f ) = 六胁( f ) 办 ( 2 1 ) l 从( 2 1 ) 式可以看到，只有当t ( f ) 为常数的时候，电容电压”c ( f ) 才和时间 t 是线性关系，所以要获得线性度比较好的三角载波，必须对电容元件恒流充放 电，图2 2 可以产生较为恒定的充放电流1 2 ，1 3 ，该电路结构利用运放的反馈 回路获得稳定电流，l ：丝挲，利用共源共栅结构获得较好的电源抑制特性，根 【) 据电流镜原理得到准确恒定的镜像电流1 2 ，1 3 。 6 第二章c l 鹊s - d 音频功放的架构与工作原理 图2 2 偏置电流产生电路图 调制度d 是载波幅度与被调信号幅值的比，一般情况下要求d 小于1 ，d 取 得过大或者过小都会使得脉宽调制信号中出现过窄的脉冲，放大这些脉冲需要很 宽的频带，而功率放大器的功率管很难满足这样的频率要求。本芯片的载波幅度 设为0 7 v ，调制度d 约o 2 5 。 前面调制过程引起的失真是信号幅度失真，在解调过程中，通过把高频载波 滤除的方法获得音频信号，这个过程会引起信号相位失真，失真的严重程度取决 于输出滤波的效果，由于本文设计的d 类音频功放采用输出无滤波方案，利用 扬声器本身的滤波作用，所以信号相位失真度就取决于具体选用哪一款扬声器。 2 2 建立反馈机制 1 9 2 1 年哈尔德布雷克( h a r 0 1 db l a c k ) 做了解决远程电话网络中放大器大的 非线性问题，发明了反馈放大器，从此反馈成为模拟电路中广泛使用的一种非常 奏效的技术，例如负反馈提供高精度信号处理，正反馈使振荡回路的建立成为可 能 本文设计的d 类音频功放虽然不是一个简单的运放，但是从本质上来看，d 类音频功放仍然是放大器的一种，所以对一般放大器行之有效的负反馈技术对于 d 类音频功放是同样有效的。 使用负反馈机制有很多好处 1 在模拟电路中可以抑制非线性 本文设计的d 类音频功放结构复杂，有两级放大器组合，中间加入了很多 非线性的因素，比如运放本身的设计( 增益并非无穷大，不可避免地存在。凰e t 高性能d 类音频功放的i c 设计 等) ，删采样的时候为了不形成损坏功率管的尖峰电流，要设置“死区 时 间，这些都给信号带入了非线性，所以很有必要引入负反馈机制来减小上面因素 带来的非线性的影响。 2 增大带宽 在音频的频率范围内，希望运算放大器有很高的增益，有了负反馈能增大高 增益所在的带宽，这是调制系统具有很高的线性度和很高的电源抑制能力的一个 主要保证。 3 减小输出阻抗 有时候在d 类音频功放的低功率应用时，负载往往是一个阻抗比较小的扬 声器或者耳麦，这时候就需要音频功放比较小的输出阻抗，不然就会驱动不了小 电阻或者大电容这些难以驱动的负载。 4 可以达到较高的电源抑制比 电源抑制比是度量电源电压的抖动会耦合到音频的输出的严重程度，p s r r 越大，音频功放的输出音质就越好，如果没有负反馈，电源的抖动会毫无衰减地 加载到音频输出上。 5 增益灵敏度的降低 d 类音频功放需要有恒定增益的特点，增益不会随着输入，工艺，温度等因 素的改变而改变，而负反馈能够使增益的灵敏度降低，这个特点是非常重要的。 通过以上的分析【1 1 j 2 1 ，本文决定在架构中引入负反馈技术。 2 3 模拟d 类音频功放的基本结构及其工作原理 通过以上的对比，分析和总结，本文为d 类音频功放设计了基本结构，如图 2 3 所示的简化项层电路模块以及图2 4 所示的每个通道内的架构。 第二章c l a s s d 音频功放的架构与工作原理 图2 3 简化的顶层电路模块 图2 3 显示的是d 类音频功放的顶层电路结构，芯片分为左右两个通道，其 中电路中用到的基准r e 衔e i l c e 电压，b i a s 电流，时序控制模块，p o r 启动电路， o t p 电路，三角波发生器等模块都是两个通道共用的，每个通道的架构如图2 4 所示 r 7脚 图2 4 每个音频通道的架构图 脚 为了实现输出无需滤波器的调制方案，系统采用全差分的对称结构，电路中 高性能d 类音频功放的i c 设计 的全差分积分器采用双端输出，分别输出两路反向的音频信号，p w m 调制器以 及后续的驱动电路均由传统方案中的一个变为两个，采用双边自然采样的脉宽调 制技术，分别处理两路相反的音频信号。 d 类音频功放采用二阶反馈环路，使系统具有较好电源抑制和线性度，并且 可以通过输入级设置传递函数来滤除音频以外的成分。应用上单端输入音乐信号 决定了输入级运放采用如图2 4 的接法，把音乐信号单级放大( 通过图2 4 的 o p a l ) 之后再通过一个反向跟随器( 图2 4 的o p a 2 ) 把信号的差模信号反向， o p a l 和o p a 2 的共模电压是l 2 电源电压( 该电压是芯片内部共模基准电路产 生) ；o p a l ，0 p a 2 的输出是两个共模电压一样，差模电压相反的信号，然后把 这两个信号输入一个全差分的积分器，积分器的输出通过p w m 脉宽调制，再把 调制好的信号输入到非重叠时钟产生电路( 图2 4 中所示的d e a d t i l i l e 模块) ，非 重叠时钟产生的具有一定占空比的方波反应输入信号的大小，用来驱动四个输出 功率管，输出采用h 桥驱动结构【1 3 - 1 4 】b t l 结构) ：工作的时候或者是右通道半 桥的p m o s 功率管，左通道半桥的n m o s 功率管导通，如图2 5 中1 2 电流的走 向；或者是左通道半桥的p m o s 功率管和右通道半桥的n m o s 功率管导通，如 图2 5 中1 2 电流的走向；1 1 ，1 2 交替导通，向负载高效输送功率。 p g 8 n g 8 图2 5h 桥驱动工作原理 设计要点： 1 第一级放大电路的传递函数是根据通频带设计的，希望能引起听觉的频 带2 0 之o l ( k 通过。图2 6 中运放的反馈是一个电容c 2 和一个电阻r 2 并联， c i n ，r 1 分别是输入电容，输入电阻，这时候的传递函数是： l o 第二章c l a s s d 音频功放的架构与工作原理 斫 上r 2 c 2 s 胁( 去枷2 ) ( 志枷1 )、c 2 s”c l 砖 。 ：垡塑笙 ( 2 2 ) = = 一 、z - z ， ( 1 + c 2 r 2 s ) ( 1 + c 锹l s ) 图2 6 第一级放大器 从式( 2 2 ) 的传递函数可以看出，这个反馈系统有一个零点，两个极点： 1 z = 0 ，p 1 = 三一，p 2 = 三一，通过合理的设置，这个反馈系统可以设置成能通 r 2 c z尺l c 加 过音频范围2 0 2 0 k 的带通滤波器，第二放大级的传递函数由相同的方法求得。 ( 其中p w m 脉宽调制模块，d e 砌m e 模块，输出级驱动模块都不会引入零极点， 所以在求传递函数的时候可以省去。) 2 本芯片具有a g c 功能，目的是在输入信号太大的时候，为了防止输出 c l i p ，听觉效果变差，具体做法是监测第一级的输出点的电压，由于第二级的增 益是2 ，所以如果第一级的输出电压幅度高过3 4v d d a ，或者低过l 4v d d a ，a g c 就要开始工作，反馈电阻要变小( 图2 4 中的r 2 ) 。此外，a g c 开启和关闭由时 序模块控制，本论文的第三章对这点会有详细介绍。 3 从图2 4 可以看到，第二级放大是一个包括输入电阻r 5 ，r 6 反馈电阻 r 7 ，r 8 ，积分器i n t ，比较器c 脚，非重叠时钟产生模块，功率管的很大的反 馈环，p w m 脉宽调制会使信号有一个增大的过程，g a 醑v d d a a m p l i n l d eo f t r i 所 以第二级反馈系统环路增益m 奉ba v 。从t h d 的角度看，m 是越大越好，但是 如果m 太大的话，三角波幅度就很小，如果三角的幅度接近纹波的幅度，又会 造成t m 变差，所以m 的选择是一个折中的结果，三角波的幅度一般取o 7 v ， 绪论里面也讲到，在低调制深度的时候，p w m 调制的精度可以和乏调制相媲 美。 高性能d 类音频功放的i c 设计 4 为了n ，p 型功率管不同时导通，图2 4 中d e a 嘶m e 模块必须设置死区 时间，死区时间的设置太大会影响t 皿，太小会使得尖峰电流太大。 5 当芯片进入过温，过流，s d 等的情况的时候，图2 4 中的m u t e 信号为高， 两级运放反馈电阻为零，这时候g a i n 就为o ，没有声音输出 6 在芯片电源上电和关断的时候要考虑p o p & 疋l i c k 的问题： 1 ) 在p o w e 刚s do n 的时候，输入电容c i n ，共模基准电压电容c b 卵a s s 充 电速度不一样会使得在m u t e 解除的时候产生p o p ，本身系统的。凰c t 在m u t e 解 除的刹那也会贡献p o p ，所以设计的时候要尽量保证。行s c t 小一些，c i n ，c b y p a s s 是应用的时候客户决定的，所以有必要事先告知； 2 ) 在p o w e ro 行的时候，第一级反馈回路中不要因为v d d a 的下降而使得 控制a g c 反馈电阻的开关提前断开而使得p o p 出现，所以要使用传输门( 即一个 小i m o s 管和一个p m o s 对接) ，而不是单纯n m o s 或者p m o s 来作为开关； 3 ) 在s do 行的时候，系统。墙e t 的大小是影响p o p 的主要因素，所以措施 也是在设计的时候尽量减小。凰e t 的值。 2 4 模拟d 类音频功放的主要特点 1 效率高： 使用开关驱动输出功率管，对于理想的功率m o s 开关，导通时电阻为零， 关断时电阻无穷大，在这种情况下，d 类功放的效率可以达到1 0 0 。它能够在 保持最小失真的条件下得到最高的效率，而且，d 类放大器可以再很小的输出功 率时就可以达到很高的效率，而不像a b 类放大器只有在很高的输出功率时才能 达到比较高的效率。 但是d 类音频功放的功率管并不是一个理想的开关，它在导通的时候电阻 并不是为零，实际上是功率管阻抗是一个不容忽视的一个比较大的值【1 5 。16 】，m o s 功率开关在关断的时候，电阻也不是像理想的那样电阻无穷大，不过负载的电阻 相比关断的开关很小，所以在截止的时候晶体管的损耗可以忽略不计，从而损耗 的功率只要考虑开关打开的时候消耗在开关m o s 管上的功率就可以了，这时候 效率其实是导通的m o s 功率开关的电阻和负载电阻相比较决定的，所以功率管 阻抗是影响d 类功率放大器的最主要因素。 1 2 第二章c l 雒s d 音频功放的架构与工作原理 不过除了开关功率m o s 管的导通电阻上消耗的功率外，芯片内部的静态电 流，驱动开关功率m o s 管的驱动电路也会消耗一定的功率，而这个损耗是开关 开断的频率决定的。 2 失真小 放大器的失真主要来自三个方面【1 7 1 ，分别是线性失真，非线性失真，和噪 声。 1 ) 线性失真不会产生高次谐波，而只是改变信号中各个分量的相对大小和 时间关系，它对人儿的影响不大。 2 ) 电路的非线性特性也可以看成是斜率以及小信号增益随着输入电平的变 化，意味着对于输入端一个给定的增量变化，在输出端产生依赖于输入端直流电 平的不同的增量变化，非线性失真会产生信号中没有包含的频率分量，因而对人 耳感觉的影响比较大，在很多模拟电路中，精度要求较小的非线性，使能在关心 的范围内用泰勒展开来近似输入输出特性： y ( t ) = a i x ( t ) + a 2 x ( t ) 掌x ( t 卜a 3x ( t ) 宰x ( t ) x ( t ) + 对于小的x ，y ( t ) a l x ， 表明a l 是x 0 附近的小信号增益。非线性怎么度量呢? 一个简单的方法就是确定式中 的a l ，a 2 等。 d 类音频功放非线性失真由t h d 的值反映出来，t h d 是英文1 o t a lh a m o i l i c d i s t o r t i o n 的缩写，翻译成中文是“总谐波失真”，t h d 同样是d 类功率运放的 一个主要性能指标，也是音频功放额定输出功率的一个条件。 在实际电路中以下几个因素会引起t 助的变化：1 采样使得p w m 输入和 输出有量化误差；2 d e a d t i i n e 模块中死区时间的控制和信号的延时；3 因为芯片 p c b 版寄生的电感，使得在功率开关流过尖峰电流，这会对采样造成影响； t 皿的计算公式如下所示： 册=1 0 0 t 玎) 斗_ n 的计算公式如下： 册+ ：些垒丝兰兰丝1 0 0 心h j 七h j + h j + + h 夏+ 矛 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 高性能d 类音频功放的i c 设计 两式中h l 是基波分量( 即音频信号，h 2 矾是谐波分量，n 是噪声。) 3 ) 噪声相比前面几个失真更是对人耳产生不舒服的感觉 在d 类音频功放中，最重要的失真是非线性失真。实际的应用当中d 类音 频功放的输出信号总会有失真，并且叠加了噪声。这种失真是比较小的，从示波 器中很难看出来，只有用失真仪( 比如a u d i op r e c i s i o n ) 才能测出。波形的失真 是由于在正弦波上加了多种高次谐波造成的( 如3 次谐波、5 次谐波等) 所以称为 总谐波失真。实际的音频功放有各种谐波造成的失真及由器件内或外部造成的噪 声，它有一定的t 删的值。这个值一般在0 0 0 l 1 0 之间。 对于同一个音频功放，若改变其外部工作条件，其1 i 羽阱- n 的值也会有很大的变 动。这里指的条件是，一定的工作电压v d d 、一定的负载电阻r ，一定的输入 大小，一定的输入频率( 在t 删v sp o w e r 扫描时，一般常用l 蚴，一定的 增益下进行测试。若改变了其中的条件，其t 卸升- n 值是不同的。通常，输出功 率越大，失真也跟着增大。 介绍完d 类音频功放的总体结构，原理，特点之后，接下来看一下几个主 要模块的结构，工作原理以及仿真结果。 1 4 第三章时序模块的设计 第三章时序模块的设计 本章主要介绍d 类音频功放的的时序控制，从图3 1 的功能图可以看到 1 8 1 ， 时序模块主要完成三个功能；图3 2 是时序模块的实现电路。 1 控制共模基准电压； 2 控制1 1 1 u t e 信号； 3 控制a g c 的打开和关断。 s d 图3 1 时序模块功能图 图3 2 时序控制电路 岫 l m 咻 = 三 高性能d 类音频功放的i c 设计 3 1 控制共模基准电压 在芯片关断的时候，希望所有模块都停止工作，所以s d 信号为“低 时， 共模基准电压要拉到零；当s d 信号为“高 时，共模基准电压又从零电压重新 启动，这样启动时间是确定的。 同样的，在上电的时候，p o r 信号会重启共模基准电路，下拉共模基准电 压然后让其从零电压重新启动，这样的话，可以在每次上电前把共模基准电压“清 零”，确保启动时间是确定的。电路的实现可以从图3 2 中看出来，p o r 或者s d 可以控制共模基准电压的“清零 和启动。 ( 注：s d = p d b = p d ) 3 2 控制m u t e 信号 从图3 3 可以看出，o c ，o t ，毗a 1p d 信号变高之后，图3 4 中的d 触 发器的i m 都为低，d f f 处于r c s e t 状态，输出点m u t e 为高，芯片处于静音模式； 等o c ，o t ，血e m a lp d 信号恢复到低电位，d 触发器的r b 变高，不再处于r e s e t 状态，这时m u t c b 电压为低，o s c 可以通过或非门传到d 触发器的c l k 端，这 几个d 触发器通过分频的作用，会等1 m s 才会把o s c 的上升沿输出来，一旦上 升沿输出来，n l u t e b 会变高，这时候o s c 就不能通过一个或非门传出来，n l u t e 维持低电平，静音模式解除1 9 1 。注意：这里设置l m s 的延时，是为了避免电源 或地的纹波太大而造成o c ，o t 误判。 图3 3 控制m u t e 电路 第三章时序模块的设计 图3 4 分频器 用s p 。c t r e 对其进行仿真验证： fll il 一6 铀一 fh m m o c - - - _ - t d o r l 删 f ”“一铷p 呻m j ，”7 1 5 4 卸啊_ l 图3 5 解除o c p 的延时仿真 为缩短仿真时间，人为减小d f f 个数，用5 个d f f 代替原来9 个d f f ，从 图3 5 的仿真结果可以看到，5 个d f f 的时候解除o c p 的延时是6 4 u s ，通过理 论计算，9 个d f f 的时候解除o c p 的延时应当为6 4 姗2 9 _ 5 = 1 0 2 4 琊1 舢，所 以第二个时序功能在电路上的实现是符合要求的。 高性能d 类音频功放的i c 设计 3 2 控制a g c 功能 c c j ，。 5 d b c c | | ；d b l曲t l 蝻 _ a g c o n 图3 6v d d a 和s d b 同时上电打开a g c a g c o n 图3 7 s d b 滞后v d d a 上电打开a g c x 苫co f f 8 。“ 图3 8 给s d b 两个上升沿关闭a g c 从图3 6 到图3 8 的p c c 控制可以看出，总共有三种方式，让芯片在两种状 态工作，a g c o n 和j 赋o f f 1 当v d d a 和s d b 接在一起上电，6 唧打开； 2 当v d d a 和s d b 没有接在一起，v d d a 先上电，过段时间后s d b 变高，a g c 打开： 3 当v d d a 和s d b 没有接在一起，v d d a 先上电，过段时间后给s d b 两个 上升沿( 有时间限制) ，a g c 关闭。 介绍完a g c 的打开和关闭的操作方法，下一步介绍原理： 打开a g c 功能，开始系统要“清零”，e x tp d b 维持低电平，图3 2 中的 上面的一个计数器开始计数，记到1 1o l i s 的时候，内部p d 由低变高，从图3 1 0 中可以看到，p d 由低变高导致4 个d f f 都r e s e t ，“清零”完成。如果e p d 是一个上升沿，d f f 2 的q b 为高，过1 1 0 u s 后d f f 3 的c l k 端会输入一个上升 沿( e x tp d 高电平，会导致图3 2 中下面的计数器开始计数，1 1 0 u 输出一个上 第三章时序模块的设计 升沿) ，把d f f 3 的q 值1 a t c h 住，这时d f f 4 的q b ，即l o c ka g c 为低，a i g c 打开； 关闭a g c 功能，开始系统要“清零 先让e x rp d b 维持低电平，图3 2 中的上面的一个计数器开始计数，记到1 1 0 u s 的时候，内部p d 由低变高，从 图3 1 0 中可以看到，p d 由低变高导致4 个d f f 都r e s e t ( 同上) 。如果e x tp d 是两个上升沿( 高，低电平都不能超过1 1 0 i l s ) ，图3 1 0 中的d f f 2 的q b 为低， 过1 1 0 u s 后d f f 3 的c l k 会输入一个上升沿( e x tp d 高电平，会导致图3 2 中 下面的那个计数器开始计数，1 1 0 u 输出一个上升沿) ，把d f f 3 的q 值1 a t c h 住， 这时d f f 4 的q b ，即l o c ka g c 为高，a g c 关闭【2 0 。2 1 】； 图3 9 计数器电路 图3 1 0 控制a g c 电路 一 p 高性能d 类音频功放的i c 设计 4 三= 芒竺兰! = 兰兰= = 亡=：一j e 。：。l 。：。，。，。j l 。一 l ，v t f v 州 ! 三一。l 。，。，。，。，。! ：2 1 ；。，。，。，。，。，。：。，。，。 巨篡：一一竺! 竺：一。一一 童：芒置! 兰! 匕二= = 三二 ：! ：。一 竺 ， = j 。，。，= 。亡。 三- ：芷二二 = 兰竺口。! 二= 三：芒= = = = 鬯兰= 二= j 三1 _ ，。，。j ；，；。t ：。：l ，。i ，；，一 三：f臼2 口口 奎：鬯署：亡= = 竺j 匕= j 亡= 一 一 一# n l 。 一一 一 图3 1 2 控制a g c 打开，关闭的仿真图 图3 1 2 的仿真图显示，a g c 可以通过s di n 的输入脉冲打开和关闭。 终上所述，时序模块的设计实现了上述的3 个功能，符合本文的设计要求。 第四章模拟子电路设计 第四章模拟子电路设计 4 1 输入级运放的设计 输入缓冲放大器必须有轨对轨的输入能力( 因为音频信号包含各种幅度的波 形) ，具有较高的增益，稳定的环路稳定性，良好的阶跃响应以及较低的谐波失 真等特点。 运算放大器一般会应用在反馈环路上，闭环增益可以表示为 监：l 圪l + 刖 ( 禾1 ) 其中a 为运放的开环增益，p 为环路增益，只要增益足够大，就可以实现 闭环增益 堡：l ；三( 1 一上) ! ( 4 2 ) v 。、七8 ad j6 a0 显然，闭环增益对运放的开环增益并不敏感，但是在放大信号的同时，运算 放大器也会将噪音放大，如果希望实现在不同的共模输入电平中，噪音的放大也 是几乎相同的，那就需要恒跨导的设计【2 2 之3 1 。这个轨到轨输入级具有前馈控制电 路来实现恒定跨导，可以得到最优化的线性特性。当然等效跨导( 、皿绝对恒定是 不可能的，当共模输入电平在1 2 v d d 附近时，p 一输入差分对和n 一输入差分对 共同工作，这时放大器的增益是最大的，如图4 1 所示。 图4 1 运算放大器的跨导 高性能d 类音频功放的i c 设计 当输入对有输入的偏差，反馈环路的放大级的马上工作，进行校正。折叠式 共源共栅结构可以得到很大的开环增益【2 4 1 ，并且提高了电源抑制比，输出使用 单个p m o s 管和n m o s ，增大了输出摆幅。 反馈环路的稳定性，图4 2 中运放的输出点a 点， b 点( 运放第二级和