（电路与系统专业论文）d类功放中三角波发生器的设计.pdf

摘要 进入2 l 世纪以后，各种电子设备的便携式成为一种重要的发展趋势。大多数便携式的 电子设备都有一个共同点，就是有音频输出，都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它 们都是电池供电的。在这种需求之下，d 类放大器成为首选。它的最大特点就是能够在保持 低失真的前提下得到高效率。 d 类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 。所谓 p w m 技术就是把模拟音频信号的幅度来调制成一系列矩形脉冲的宽度。只要把这个放大以 后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。所以放大时 幅度上产生的失真并不会使原来的音频信号产生失真。因此，放大器可以完全工作在开关状 态，使晶体管的效率达到最高。脉宽调制可以用一个等幅三角波来对音频信号进行采样来实 现。 通过分立元件构成三角波发生器这种传统的技术已经很成熟，但是将三角波发生器集成 在一块功率放大器的芯片中，这样的技术还存在很大的挑战性。本文中设计了一种单电源供 电的三角波发生器的集成电路。其主要原理是通过一个恒定电流对电容充放电来形成三角 波。该电路可以工作在宽电源电压( 2 4 - 5 5 v ) 范围下。为了避免d 类功率放大器的失真， 三角波发生器的线性度和频率的稳定性就显得尤为重要。三角波的频率应该远远超过语音信 号的最高频率，本设计设定在2 5 0 k h z 。通过h s p i c e 仿真表明，在3 6 v 电源供电压的典型 情况下。该三角波发生器可以产生频率为2 5 4 4 k h z 、占空比为4 9 9 、线性度良好的三角 波，功耗电流仅为0 2 2 m a 。目前该芯片已经通过华润上华科技有限公司( c s m c ) 的0 5 1 a m c m o s 多项目晶圆( m p w ) 模式流片。经过严格测试。各项性能指标基本达到了预期的要求， 即将量产上市。 文章将按照电路设计、版图设计、后仿真到最后的芯片测试的顺序详细介绍上述电路的 设计过程及最终的测试结果。 【关键词】音频放大器脉宽调制失真采样 a b s t r a c t e n t e r i n gt h e2 1 s tc e n t u r y , i t 8at e n dt h a tm o r ea n dm o r ee l e c m n f i cd “g e 8b c c m ep o r t a b l e m o s to ft h e mh a v ea na u d i oo u t p u t t h a tm c a u $ t h a tt h e yi n c l u d ea na u d i oa m p f i f i e r t h eo t h e f c h a r a c t e r i s t i ci st h a tt h e yu 8 eb a t t e r yf o rp o w e rs u p p l y o ns u c had e m a n d , t h ea m p l i f i e ro f c l a s s - di sw i d e l ya d o p t e d t h ec h a r a c t e r i s t i co f ac l a s s - da m p l i f i e ri st h a ti tc a ng e tt h em o s te f f i c i e n c y w h i l ek e e p i n gt h el o w e s td i s t o r t i o n t h et e c h n i q u eu s e df o rc l a * da m p l i f i e ri sp w m 唧l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) t h ek e yp a r to f t h ep m wt e c h n i q u ei st om o d u l a t et h ea m p l i t u d eo ft h ea n a l o ga u d i os i g n a li n t ot h ew i d t ho fa r e c t a n g l ep u l s e t h ea m p l i f i e da u d i os i g u a lw i l lb eo b t a i n e db yf i l t e r i n go u tt h el o w - f r e q u e n c y c o m p o n a n to ft h ea m p l i f i e dp w ms i g n a l s i n c et h es i g u s li sn o tc a r r i e db yt h ea m p l i t u d e ，t h e d i s t o r t i o no f t h ea m p l i t u d ec a nn o td i s t o r tt h ep r j l n a l - ya u d i os i g n a l i nt h i sc a s e ，t h ea m p l i f i e rc a n w o r kt o t a l l yi nt h es w i t c hs t a t ea n dh a v et h eh i g h e s te f f i c i e n c y t h ep w mc a nb ec a r r i e do u tb y u s i n ga ne q u a la m p l i t u d et r i a n g u l a r - w a v et os a m p l et h ea u d i os i g n a l i t i 8am a t u r et e c h n i q u et ob u i l du pat r i a n g u l a r - w a v eg e n e r a t i o nb yu s i n gd i s c r e t ec o m p o n e n t s h o w c - ”e r , i ti sac h a l l e n g i n gt e c h n i q u et oi n t e g r a t et h et r i a n g u l a r - w a v eg e n e r a t i o no nac h i p t h i s w o r kp r o p o s e sa ni n t e g r a t i o ns c h e m et h a tu s e sas i n g l ep o w e rs u p p l y i t sp r i n c i p l ei sg e n e r a t i n ga n i a n g n l a r - w a v eb yu s i n gac o n s t a n tc u r r e n tt oc h a r g ea n dd i s c h a r g eac a p a c i t o r t h ed e s i g n e d c i r c u i tc a l lw o r ki nas u p p l yv o l t a g eo f2 4 5 5 v t h el i n c a r i t ya n df r e q u e n c ys t a b i l i t yi sv e r y i m p o r t a n tt ov o i dt h ed i s t o r t i o no f t h ec l a s sd t h ef r e q u e n c yo ft h et r i a n g u l a r - w a v ei sm u c hh i g h e rt h a nt h ef r e q u e n c yo ft h ea u d i os i g n a l i nt h i sw o r k , t h ec e n t e rf r e q u e n c yi sd e f m e da s2 5 0k h z h s p i c es i m u l a t i o n sp r o v e dt h a tt h e g e n e r a t o rc a nf o r mai r i a u g u l a rw a v ea tt h ef r e q u e n c yo f2 5 4 4k h z w i t had u t yc y c l eo f4 9 9 a n das a t i s f i e dl i n e n r i t y t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni so n l y0 2 1m au n d e r3 6 v t h ed e s i g nh a sb e e n r e a l i z e di nc s m c 0 5 1 a nc m o st h r o u g ht h em p w8 e n d c e t h ep a p e rw i l li m r o d u c et h ed e s i g no ft h ec i r c u i ti nt h eo r d e ro fc i r c u i td e s i g n , l a y o u td e s i g n ， p o s t - s i m u l a t i o na n dt h et e s tr e s u l to f t h ec h i p k e “y w o r d a u d i op o w e ra m p l i f i e r , p w m ，d i s t o r t i o n , s a m p l i n g n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：星晏 日期：迎堕； 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电予文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生躲疆 第一章概述 第一章概述 1 1 研究背景及意义 音频放大器已经有快近一个世纪的历史了。最早的电子管放大器的第一个应用就是音频 放大器。然而直至8 现在为止，它还在不断地更新和发展。主要是因为人类的听觉是5 种感觉 之一。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。 进入2 1 世纪以后，各种电子装置都向着便携式发展。从作为通讯工具的手机，到作为 娱乐装置的m p 3 播放机，已经成为差不多人人具备的便携式电子装置。陆续将要普及的还 有便携式电视机，便携式d v d 等。所有这些便携式的电子装置的一个共同点就是都有音频 输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个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。就是在这种需求的背景下，d 类放大器得到广泛研究和应用。它的最大 特点就是能够在保持最低失真情况下得到最高的效率。 高效率的音频放大器不只是在便携式的装置中需要，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。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的 家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时， 低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键模块。d 类放大器在这些设备中扮演着极重 要的角色。 除了d 类放大器外，功率放大器还有a 、b 、a b 和c 类放大器，其实这四种放大器的 区别只是在于静态工作点的选择。a 类放大器具有最大的静态工作电流，也就是它在没有输 入信号的时候也会消耗电流，显然，它们的效率是最低的。但是，只要选择合适的工作点， 它们通常具有最低的失真。b 类放大器则选择了5 0 的导通时间，它们的效率肯定比a 类 放大器要高，但是失真要严重很多。a b 类放大器的性能则介于a 类和b 类之间。它们的导 通时间也是介于5 0 到1 0 0 之间。c 类放大器是指那些导通时间小于5 0 的放大器，通 常用于负载为调谐回路的射频放大器中。 d 类放大器是一种完全不同的放大器，其实称之为d 类似乎并不恰当。因为它并不只 是放大器工作点的选择。d 类放大器可以完全工作在开关状态。在开关工作状态，晶体管的 效率是很高的。因为在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小( 由其饱和电阻决 定) ，而在截止的时候，虽然加在晶体管的电压很高，但是流过晶体管的电流很小( 只是其 漏电流而已) 同时还可以使晶体管在没有音频信号时完全工作在截止状态，这样其效率就 更高。 d 类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 1 1 0 通过芯片内部产生的三角波和输入的模拟音频信号进行比较，这样模拟音频信号就变成了一 系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是 东南大学硕士学位论文 包含在它的宽度之中。只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可 以得到放大的音频信号。 通过分立的元件构建三角波发生器，这在很多年前就可以实现了。使用运算放大器组成 的积分电路就可以实现。但是便携式电子产品对体积和功耗都提出很高的要求，分立式元件 已经不能满足当今电子产品的发展，这已经成为其发展的一个瓶颈。本文的设计就将三角波 发生器集成到功率放大器中，这样很大程度上提高了功率放大器的集成度，有着广阔的市场 前景。 1 2 工艺选择 选择适合的工艺是成功完成电路设计的前提和保证。各种半导体材料均可找到它们的应 用领域，在这些材料中，硅( s i ) 、砷化镓( g a a s ) 、磷化铟( 1 n p ) 是最基本和最重要的三 种。在这三种材料的衬底上可以制造复杂的材料系统，生产不同的固态器件和集成电路【2 j 。 本次设计采用的是j = 艺成熟、成本低的硅材料，下面对材料硅的特性和应_ i j 加以论述。 硅是现代电子器件和计算机工业的基础。在过去4 0 年间，利用硅作为基本材料的很多 技术已经得到发展并逐渐成熟起来。这其中主要包括：双极性结型晶体管( b j t ) 、互补型 金属氧化物半导体晶体管( c m o s ) 以及双极性型c m o s 即b i c m o s 。 相对于其它两种工艺，c m o s 具有电路功耗小，集成度高，流片成本低且工艺容易获 得等特点。对于设计商用芯片，要考虑成品率，工艺成本和是否容易获得代工支持等因素。 所以c m o s 工艺是商用集成电路的晟佳选择。 图1 1 显示了c m o s 工艺一只n m o s 和一只p m o s 的截面图。 图1 1c m o s 工艺截面图 综合考虑芯片速率、电路功耗、噪声，芯片面积、流片途径及设计成本等各项因素，本 次设计采用无锡上华( c s m c ) 的0 5 t u nc m o s 工艺实现。 1 3 设计流程 如图1 2 给出的是i c 设计的流程。首先，确定系统的主要技术指标，如工作速率、电 源电压、逻辑接口电平等；然后，根据系统的性能要求确定电路结构；接下来，用通用电路 模拟软件h s p i c e 对电路进行模拟，并对电路参数进行优化：当模拟结果满足系统性能指标 要求后，进行版图设计，提取版图的寄生参数进行后仿真；如果后仿真结果不满足系统性能 2 第一章概述 指标要求，则有必要对电路或版图进行修改，直到后仿真结果满足系统性能指标要求；在完 成版图验证和后仿真之后将版图文件转化成g d s - i i 格式。交付芯片制造商流片；最后， 对制作完成的芯片进行测试以确定功能是否达到设计目标。 图1 2 设计流程示意图 1 4 论文组织 本论文主要研究的是d 类功率放大器中三角波发生器的设计和实现。文中主要介绍了 三角波发生器在d 类功率放大器中的作用、电路结构选择，电路设计、版图设计和测试结 果。 第一章是概述，主要介绍该研究的背景和现实意义以及设计工艺和设计流程，井介绍了 论文的组织架构。 第二章介绍使用分立元件构成的三角波发生器的原理及缺点。 第三章介绍d 类功率放大器的简单原理及应用以及三角波发生器在其中的位置和作用。 第四章介绍集成在系统中的三角波发生器的设计原理以及相应的电路仿真。 第五章内容是版图设计和后仿真。版图设计是芯片设计的重要步骤，文中详细介绍了版 图设计的注意点和设计技巧。并且给出了版图设计的结果以及在系统版图中的位置。最后给 出后仿真的结果。 第六章给出了芯片的实现方法以及测试的结果。 第七章给出全文的一个总结。 本文所做模拟采用的软件s y n o p s y s 公司的h s p l c ，版本为y - 2 0 0 6 0 3 。所有模拟是基于 0 5 p r o 无锡上华( c s m c ) 的c m o s 工艺库。版图工具是c a d e n c e 公司的v i r t u o s o l a y o u t ；r m 。 3 第二章分立元件构成的三角渡笈生器 第二章分立元件构成的三角波发生器 2 1 分立元件 分立元件的种类很多，比如电阻、电容、电感、二极管、三级管、结型场效应管、m o s 场效应管、v i e s 场效应管，继电器、运放、开关等嘲。囤2 1 给出了部分元件的图标。 长亭 管三级管电感 j _ 厂 运算放大器电容电阻 图2 1 几种分立元件的图标 将分立元器件焊接在设计好的p c b 板上，可以实现一定的电路功能。相对于集成芯片 来说，虽然实现了电路的功能，但是体积上要大得多，可靠性会差一些。 2 2 波形的产生 2 , 2 1 脉冲波的产生原理 矩形波、锯齿波、三角波等非正弦波实质上都是脉冲波形。产生这些波形一般是利用无 源元件电容c 和电感l 的充放电来实现的。由于电容使用起来方便，实际中主要用电容 4 1 。 产生脉冲的基本原理其实就是利用电容的充放电，图2 2 给出了电路原理图。如果开关 k 在位置1 ，且稳定，突然将开关k 扳向位置2 ，则电源u c c 通过且对电容c 充电，将产生 暂态过程。 ! 心( f ) = 虬( o o ) + 【( 0 + ) 一( ) p 7 ( 2 1 ) i 是时间常数，它的大小反映了过渡过程( 暂态过程) 的进展速度，f 越大，过渡过程 的进展越慢。t 近似地反映了充放电的时间。 ( o + ) 是响应的初始值，( 。) 是响应的稳态值。 对于充电，三要素的值分别为： u o ( o + ) = o | ，u 。( 0 0 ) = ，吒= r c 稳定后，再将开关k 由位置2 扳向位置1 ，则电容将通过电阻放电，这又是一个暂态过 5 东南大学硕士学位论文 程，其中三要素为：虬( o + ) = ，虬( ) = 0 ，7 放= r c 图2 2 电容充放电的基本原理图 改变充放电时间，可得到不同的波形： 如果f 充。7 放2r c t ，可得到近似的三角波形； 如果 f 救，且充 t ，可得到近似的锯齿波形。 将开关周期性地在l 和2 之间来回扳动，则可产生周期性的波形。在具体的脉冲电路里。 开关由电子开关完成，如半导体三极管来完成，电压比较器也可作为开关。下面讨论用电压 比较器的积分电路组成的非正弦波产生电路，图2 3 是具体电路图。 疗 图2 3 非正弦波产生电路i 当”。2 址时流过尺的电流对电容充电就会上升，当心大于瓦 百u 时， p 突变为- 址电容又通过电阻贼电又厶下降当时卜焘u 2 时，又跳 6 丁1i*+iff上 第二章分立件构成的三角波发生器 变为u z ，就这样周期性的充放电形成三角波。图2 4 是波形示意图。 2 2 2 三角波产生电路 图2 4 三角波波形 由图2 4 可以看出，三角波的线性度很差，这是因为对电容充放电的电流不是恒定的原 因，即电阻r 两端的电压不是一个定值。为了提高三角波的线性只要保证电容器恒流充 放电即可。用集成运算放大器组成的积分电路代替r c 积分电路即可。图2 5 给出了由运算 放大器组成的积分电路。 图2 5 非正弦波产生电路 图中左边的运算放大器构成迟滞比较器，而右面的运算放大器构成积分电路。 当上电时，为+ ，电容器充电，电阻两端的压降为u z ，所以皖= 警，= 叫c ， 开始线性下降，当下降到使左边运算放大器的正端输入为零时，蚝从+ 【，z 跳变为一【，z ， 电容嚣恒流放电，则输出电压线性上升，这样就形成了周期性的三角波。图2 6 是输出的 三角波和方波的波形。 东南大学硕士学位论文 “瓴i 地 厂 r 一一 o l _ jl j i ”磊 幽l l l o 。|il 矗 r i 一 拶 y 4 i 龙” 图2 6 三角波和方波波形图 三角波的幅值是由电阻r 2 、r 3 决定的。 以2 彘+ 彘垆一争+ 足+ 恐”足+ 马。 “ 墨。 当2 也时，一马r 2 u ；当心。也时，= + 鲁也。 。 由积分电路可求出周期，其输出电压“。从一( ，二上升到+ 【，二所需的时间为r 2 ，所以 有： 吉弦去弘一 t u z ：2 (24)2rc 啊i 、 卜4 艇琶= 等 伍s ， 以尼 、 ，= ；= 志 仁回 以上就是通过分立元件构建成的三角波发生器，三角波的幅度和频率可以通过两个电阻 2 2 3 分立元件电路的缺点 点。 上面介绍的通过分立元件构成的三角波发生器可以实现其功能，但是它存在如下一些缺 1 集成度低 8 第二章分立元件构成的三角波笈生器 很显然通过这些零散的分立元件焊接在p c b 板上，占用了很大的面积，这不符合便携 式电子设备的发展趋势。从作为通讯工具的手机，到作为娱乐设备的m p 3 播放机，陆续将 要普及的还有便携式电视机，便携式d v d 。这些便携式的设备一个最大的特点就是体积越 来越小，功耗越来越低。如果通过上面所提及的通过分立元件构成一个三角波发生器，这显 然是不符合现实的。 2 双电源供电 由图2 , 6 可以看出，三角波的中心电平是在零电位，所以该三角波发生器采用的是叔电 源供电系统，包括运放都要使用正负两个电源供电。这跟整个d 类功率放大器系统不兼容， 给设计带来很大的不便。 3 稳定性能差 分立元件三角波发生器的频率公式和幅度公式在前文中已经推倒，见式( 2 2 ) 和式( 2 6 ) 。 由公式可以看出，三角波的频率、幅度和四个电阻和一个电容有着紧密的联系。由于分 立元件无法做到精确匹配，存在误差。包括电阻和电容存在的一些非人为的损坏等原因都会 对三角波频率和幅度的稳定性带来影响。 因此，研究设计集成的三角波发生器成为技术发展的必然。 9 第三章集成d 类功放的三角波发生嚣 第三章集成d 类功放中的三角波发生器 3 1 d 类功率放大器 3 1 1 简单原理 d 类放大器是一种完全不同的放大器，其实称之为d 类放大器似乎并不恰当，因为它 并不只是放大器工作点的选择。所以也有人称之为”数字音频放大器”。d 类放大器所采用的 技术其实就是脉宽调制技术p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 。所谓脉宽调制技术也就是把模 拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。这样，一个模拟音频信号就变成了一系列 宽度受到调制的等幅脉冲信号。图3 1 给出了d 类功率放大器的原理框图”。 图3 1d 类功放的原理框图 语音信号从和矾输入。先经过第一级增益可调放大器，然后经过第二级放大器放 大，此时的信号仍然为模拟信号。第二级放大器输出的信号和三角波波形由两个迟滞比较器 进行比较，产生p w m 信号，然后最后由缓冲级晶体管输出。这就是整个放大器的主通道。 d 类中还有诸如三角波发生器、偏置电路、增益调节电路、短路过流保护电路和过热保 护电路等其它辅助模块。 语音信号和三角波波形比较后输出的p w m 信号是幅度相等，脉宽不等的方波信号，它 将语音信号所传达的内容包含在它的脉宽当中了。 要把信号放大就只要对这一系列的脉冲信号放大就可以了。而原来的模拟信号并不是包 含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的宽度之中。只要把这个放大以后的脉宽调制 信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。在没有音频信号的时候， 输入信号就是对称方波。所以如果在放大的时候，幅度上产生失真并不会使原来的音频信号 产生失真。在这种情况下的放大器就可以完全工作在开关状态。在开关工作状态，晶体管的 效率是很高的。因为在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小( 由其饱和电阻决 l l 东南大学硕士学位论文 定) ，而在截止的时候，加在晶体管的电压很高，但是流过晶体管的电流很小( 只是其漏电 流而已) 。同时还可以使晶体管在没有音频信号时完全工作在截止状态，这样其效率就更高。 3 1 2 主要指标 1 ) 效率 对于功率放大器来说，效率是一个很重要的指标。效率高的功放在同样输出功率时耗电 量就很小，电池的寿命就会相对比较长。用a b 类功放和d 类功放做比较，d 类放大器有 很高的效率。而且，d 类放大器可以在很小的输出功率时就可以达到很高的效率，或者说d 类放大器的效率与输入信号的大小无关，而不像在a b 类放大器中只有在很高的输出功率时 才能达到比较高的效率。图3 2 显示了d 类功和a b 类功放在相同负载情况下，在不同输出 功率下效率的变化情况。从图中可以看出，尽管a b 类放火器的效率在满功率输出时的效率 也可以达到7 8 ，而d 类放大器在满功率时的效率也只有8 6 。但是它们在低输出功率时 的效率就相差很大，在输出功率为2 瓦时，a b 类的效率只有2 4 ，而d 类放大器的效率 仍然有8 2 。d 类放人器的效率要比a b 类放人器的效率高出3 4 倍。而在播放音乐时，大 多数时间是处于低功率的情况。所以d 类放大器在效率上的优势就十分明显了。 e m e l e n g y v 靛o p u lp o w a f * g vl l l ， 7 一lr 滋2 4 l ，一 ，l ” l 一_ 7 l l _ 孵! ! 譬_ 蟹， ， ， f l o摹 1 2德 籼- o t t p u t p o o h , w 图3 2 d 类和a b 类功放的效率比较 d 类放大器之所以能够获得很高的效率，是因为它的输出级完全工作于开关状态。对于 理想的开关，它的效率可以达到1 0 0 。但是由于晶体管并不是一个理想的开关，在截止时 电阻并不是无限大，而在导通时其电阻也不等于0 。所以实际情况下d 类功放的效率只有 8 0 9 0 。 效率的不同也表现在表面温度上，图3 3 表明两种放大器在不同的输出功率时的表面温 度。 1 2 船懈m鲍翱辨懈。 摹。器量嚣嚣 第三章集成d 类功放的三角波发生器 t e m p e r a t u r ev 1 1 o u 铷哦p o w e r f o r c l a s s - da mc l a s s - a ba 驵a 辩p o w e ra m p 肭r g 1 a s sd o德抽do 翻印矾翔喇群静懒 图3 3d 类和a b 类功放的芯片温度随功率变化的比较 由图3 3 中的曲线可以看出，在输出相同功率的情况下，a b 类的温度要高于d 类，这 是因为a b 类放大器只有大约1 5 的输入功率变成有效音频功率输出了，而有将近8 5 的 输入功率都变成热量耗散了。而d 类放大器的7 5 左右的输入功率都变成了有效的音频输 出功率，只有大约2 5 的输入功率变成热量耗散了。正因为如此，所以具有相当大输出功 率的d 类放大器都不需要采用散热器。这也是d 类放大器的另一个最大的优点。 2 ) 失真( t h d + n ) 放大器的失真主要有三种：线性失真、非线性失真和噪声。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。它对于人耳的感觉影响不是很大。非线 性失真则会产生信号中没有包含的频率分量，因而对入耳感觉的影响就比较大。噪声更是会 对人耳产生不舒服的感觉。不过噪声通常是在前端信号电平比较低的时候产生，而d 类放 大器通常都是功率放大器，所以噪声的影响可以忽略。因此，在d 类放大器中，最重要的 失真就是非线性失真。 非线性失真通常是用总谐波失真t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 来表示。t h d 的表 达式如下嘲； 豫= 丢( 妻磁) 1 0 0 ( 3 1 ) 1 、= 2 其中民为m 次谐波分量的幅度。 偶倍数的谐波称为偶次谐波，奇倍数的谐波称为奇次谐波。对于推挽或平衡电路，因为 它们是对称的。所以不会产生偶次谐波，而主要是奇次谐波。如果还要考虑噪声的话，那么 我们就用t h d + n ( 其中n 为噪声) 来表示。d 类放大器由于其噪声比较大，所以其t h d + n 的值要大于t h d 的值。 1 3 蛳秘帕o 口。-五j萎；一 东南大学硕士学位论文 通常，d 类放大器的t h d 与输出功率的大小有关，输出功率越大，失真也越大。图3 4 给出的曲线是输出功率和t h d 之间的关系。 t o t a l h a r m o n i c d i s t o r t i o n p l u s n o i j e v s o u t p 盯p o w e r 3 1 3 主要应用 d 类放大器的应用十分广泛，可以说，凡是需要进行音频放大的场合，都可以采用d 类放大器。所以，从经典的电话机、收音机、电视机、音响设备，一直到现代的手机、m p 3 播放机、l c d 电视机、电脑音响等都可以采用d 类放大器。然而和现代的模拟音频放大器 相比，d 类放大器目前的价格还略为偏高。所以目前主要用在最需要采用d 类放大器的场 合。 因为d 类放大器的最大优点是效率高、省电。所以它特别适用于采用电池供电的设备。 例如手机、笔记本电脑、便携式d v d 播放机等。这些设备在采用了d 类放大器以后可以大 大延长电池的寿命。其它如大功率的音响设备，因为耗电很大，所以也非常需要采用高效率 的d 类放大器。 1 4 伸 ， 堋 #lizle#g蜃00g#r羞i声 第三章集成d 类功放的三角波发生嚣 d 类放大器的分类可以按其功率等级来分：小于1 瓦：l 瓦至l o 瓦；1 0 瓦至2 0 瓦和 2 0 瓦以上。 小于1 瓦的d 类放大器主要用于采用耳机听音的设备中，例如手机、m p 3 播放机、随 身听、便携式收音机等等。 l 瓦至1 0 瓦的d 类放大器则主要应用予以喇叭来发音的，但是离开人体较近的设备中。 例如，笔记本电脑、台式电脑喇叭、便携式d v d 播放机、收音机、便携式l c d 电视机、 汽车音响、玩具等。 l o 瓦至2 0 瓦的d 类放大器则主要用于电视机、d v d 播放机、普通音响设备、汽车音 响设备等。 超过2 0 瓦的d 类放大器则是主要用于专业音响设备、以及特殊的汽车音响设备中。 其实，d 类放大器并不只限于应用在音频放大器中，可以说，凡是需要低频放大的场合， 都可以使用。例如在马达驱动电路中，还有在阴极射线管电视机的垂直放大器中都可以采用。 马达驱动的一个大市场就是c d n c d d v d 的马达驱动。尤其在便携式的c d v c d d v d 播 放机中，由于采用电池供电，所以提高马达驱动器的效率是十分重要的。在这种戍用场合中 采用d 类放大器就具有很重要的意义。同样。在小型便携式5 寸电视机中，在垂直偏转放 大电路中采用d 类放大器也可以大大减小电池消耗。 3 2 三角波发生器的作用和位置 3 2 1 三角波发生器的位置 从图3 1 可以看到，三角波发生器的位置并不是在信号的主通道上，只是属于c l a s s - d 的辅助模块，但是三角波发生器的作用在功放中是很重要的，三角波的线性度，幅度直接影 响到整个d 类功放的t h d 等指标。 输入的语音信号先经过第一级可调增益放大器( 1 1 0 倍可调) ，然后再经过增益为2 倍的放大器，这时输出的两路信号再通过两个迟滞比较器和三角波信号比较产生p w m 信 号。 3 2 2 三角波发生器的作用 三角波的作用其实就是对一个信号采样。为了不失真，三角波的频率至少是语音信号最 高频率( 约2 0 k h z ) 的1 0 倍。本设计中采用2 5 0 k h z 为中心频率。 d 类功放是通过将语音信号和三角波进行比较这种方式来采样的。图3 5 表示的是语音 信号被三角波采样的波形示意图。输出的是两个互补的p w m 信号。可以很明显的看出，它 们脉冲的宽度和输入的语音信号的幅度是成比例的，也就是说脉冲的宽度所显示的信息就是 语音信号所传达的信息。 1 5 东南大学硕士学位论文 i h d i o 蛔瓣& 弘。 撕k n zt 越攀曩啦鼙w 羽坤 n o - i b n m , t t n lc ) - 谤毗 h m l 娃_ 嚣。潮睁【l l l，i t ， 强f 冬i + | ； ：i | 八、0 l 泰焱裹焱赢蠡焱 焱：， 麓￥：；v vv iv ￥v ￥v 口口田瑟。l 赫瑟 堋疆鎏 | 一田【1 m f 图3 5 采样波形示意图 从d 类功放的系统框图中可以看出，三角波发生器还产生一个和三角波频率相同的时 钟信号，提供给系统使用。 1 6 第四章三角渡发生器的分析和设计 第四章三角波发生器的分析与设计 4 1 引言 通过一个恒定的电流对理想电容充电或放电，只要在电容的击穿电压范围内，电容两极 板的电压会线性地增加或者减少。如图4 1 ，我们可以推算出充电电流和电容两极板电压之 间的关系。 图4 1 电流对电容的充电 + u 一 c u = q = 【，= 丢p 硪= 石i f = 蔚 其中七= 石i ，正是电容两极板电压随时间线性变化的斜率a 根据以上原理，如图4 2 ，可以构思出三角波发生的结构。 ( 4 1 ) 图4 2 产生三角波的原理图 图中k l 和k 4 这两个开关是由s 信号控制的，k 2 和k 3 开关是由s i 信号控制。s 和s i 是互补的两个开关信号。当s 打开，s 关闭的情况下，i 。对电容充电，v 。这一点电压线性上 1 7 东南大学硕士学位论文 升；当开关翻转后，即s 打开、s 关闭，电容通过1 2 放电，v o 电压线性减小。就这样在开 关的周期性的转换过程中产生了三角波波形。电流的大小决定了三角波的斜率，所以在该结 构中，= 厶，这样产生的波形才是三角波形。 本文的设计重点也就是围绕着恒定的电流源的设计展开的。 4 2 系统结构 d 类功放中的三角波发生器有一路系统提供的电流偏置输入，有两路输出，路是中心 频率为2 5 0 k h z 的三角波信号，还有一路是和三角波同相同频率的方波。图4 3 是模块的符 号图。 0 s c 图4 3 三角波模块符号图 表4 i 列出了三角波模块的端口定义。 表4 1 i管脚名 功能 i s y s _ i b n s i 功放系统提供给二角波发生器的4 u a 的电流偏置 c l ko 幅度为0 v d d 的方波信号，频率2 5 0 k h z o s c _ t r i o 三角波输出，幅度跟电源电压成正比，频率为2 5 0 1 d - i z 图4 a 是三角波发生器的原理框图，整个三角波发生器由五个模块构成，构成了一个闭 环系统。 b i 电路产生偏置电流，系统提供给偏置电路4 她的基准电流，经过电流镜的复制作 用将产生四路相同的电流，提供给电路中的各个模块；s e t 电路输出恒定的电流，对电容充 放电，充放电的电流值是由s e t 电路中的电阻决定的，s d 电路还输出两个参考电压k 和k ， 这两个电平将和三角波进行比较；c o r e 电路中包含一个充放电电容，s e t 电路产生的恒定电 流在开关的作用下对这个电容充放电，输出三角波o s cn u ；c o m p 电路包含两个比较器 c o 唧_ n 和c o m p p ，一个n 差分对和一个p 差分对，当三角波电压值超过了由s d 电路产 生的参考电压k 时，c o m p将输出一个低电平而当三角波电压值低于了由set电路产生_n 的参考电压k 时，c o m p输出一个低电平，这两个跳变都将送入到r s电路中锁存；_p l a t c h 1 8 第四章三角渡发生嚣的分析和设计 r s _ l a t c h 电路是将比较器的跳变锁存，输出两路互补的开关信号反馈回c o r e 电路，控制恒 定电流的方向。对电容充放电，锁存器还输出一路时钟信号c l k 。 s y si b i a s 图4 4 三角波发生器的原理框图 c l k 4 3 模块的设计与仿真 三角波发生器是一个带有反馈的闭环系统，是一个完整的体系，但是在功能上大致可以 分为图4 4 中所给出的五个模块。各个模块都有特定的功能，模块之问的相互作用构成了整 个三角波发生器系统。下面将详细的介绍各个子模快的功能及其仿真。 4 3 1b i a s 电路的设计与仿真 1 功能概述 该三角波发生器的设计是不产生基准电流的，所以基准电流是从功放系统中获得的。正 因为如此，就需要一个电流镜将系统提供的基准电流复制后提供给各个模块，b i a s 电路就完 成了这样的功能。 2 镜像电流源 电流源有着很广泛的应用。在很多电路中，电流源起着一个大电阻的作用，但是不消耗 过多的电压裕度，工作在饱和区的m o s 管就可以当作一个电流源。 电流源的输出电阻、电容以及电压裕度与输出电流的大小之间存在折中、互易的关系。 此外电源、工艺、温度依赖性，输出噪声以及其它电流源的匹配也是很重要的。 通过电阻分压来给m o s f e t 提供栅电压偏置，图4 , 5 给出了电路图。 1 9 东南大学硕士学位论文 图4 5 电阻分压方式 假设m l 工作在饱和区，可以得到： k = j 1 以c o 。等( i 鼍一) ( 4 2 ) 这个表达式显示出了，。受很多因素影响：电源、工艺和温度。即使橱电压不是电源电 压的函数，电流对工艺与温度的依赖性仍然存在。 在模拟电路中电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，图4 6 中的虚线框中就是这样 的一个复制电路。两个都工作在饱和区且具有相等棚源电压的晶体管传输的就是相同的电流 了( 假设忽略沟道长度调制效应) 。m 1 和m 2 就构成了一个“电流镜，“”。 根据工作在饱和区的n m o s 管的电流公式，我们可以得出下面的式子： k = j 1 以【i w ) 。( 一) 2 k = j 1 以k ( w ：( 一) 2 进而得出 k = ( ( w 纥l ) ) 2 i 一 ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) 第凹章三角波发生器的分析和设计 该电路就可以精确的复制电流而不受工艺和温度的影响。和的比值由器件的尺 寸的比率决定。 但是在上面的讨论中，都忽略了沟道k 度调制。实际中，这一效应使得镜像的电流产生 了很大的误差，尤其在使用最小栅长晶体管时。 韭(wl)21 + 3 , v d s ： “6 1 厶( w l ) l1 + 旯l 、 由于m 2 的输出负载的影响，可能不等于p 名2 ，也就是a 点和b 点的电压不相等， 这样就使得电流不能得到精确的复制。 为了抑制沟道长度调制的影响，可以使用共源共栅电流镜，使得a 和b 点的电压相等。 图4 7 给出了共源共栅电流镜电路图。合适的选择m 3 和m 4 的管子的尺寸，使得s 3 = s 。， 这样我们就有 吆+ s 3 = 珞+ “= k j 玖= ，即使m 3 和m 4 存在村偏效应，该结果仍然成立。 g n d 图4 ，7 共源共栅电流镜 现在要选择合适的圪使得m l 和m 3 都工作在饱和区- 圪必须满足下面的不等式： s 3 + ( 圪s l 一h 1 ) k 圪s l + k h 3 ( 4 7 ) 为使有解，则要求圪+ ( s i p 备1 ) s s i + p 3 ，所以选择合适的m 3 和m 4 的 尺寸，使得m 3 的过驱动电压小于一个阚值电压。 共源共栅电流镜的优点就是它的一个屏蔽特性。如果输出结点电压变化矿，相应在共 源共栅器件源端的电压变化很小。在某种意义上说，m 3 和m 4 晶体管就是起到了一个屏障” 作用，使m i 和m 2 晶体管不受输出结点变化的影响。这种共源共栅结构的屏蔽特性在许多 电路中很有作用。但是当这个两个屏蔽管进入到线性区后，这种屏蔽效果就会减弱。 但是共源共栅也存在一定的缺点，m 3 和m 4 是“叠加”在镜像管上的。势必会减小输出 摆幅当k 满足式( 4 7 ) 的情况下，k 取最小值，即圪= 。，+ ( & 一。) ，则当m i 2 i 东南大学硕士学位论文 和m 2 保持相同的栅源电压时，共源共栅电流源m 2 和m 4 消耗的电压裕度最小。为两个过 驱动电压，而图4 6 中的简单镜像电流源则只需一个过驱动电压。所以前者在低电压供电的 情况下是会受到一定限制的。 为了使电流“复制”精确，本设计中的电流镜大都使用共源共栅的模式。 3 b i