（电路与系统专业论文）d类音频功率放大器的设计.pdf

摘要 摘要 d 类音频功率放大器与a b 类音频功率放大器相比有效率高的显著优点。高 效率会带来很多的好处，例如延长电池使用时间，发热低，这些优点使其在移动 多媒体设备上具有广阔的发展前景。 本文分析了各种类型的音频功率放大器的原理，比较了它们各自的优缺点， 然后重点介绍d 类功率放大器的工作原理。在与传统的调制方案对比基础上，研 究了d 类音频功率放大器无需输出滤波器的原理，并采用了无需虑波的调制方案， 提出了本设计的整体电路结构。 本文采用o 5 u m c m o s 工艺，对功率放大器的各个模块：前置放大器，比较 器，振荡器，驱动电路，基准电流源，电压反馈环路以及过热，过流，欠压，启 动保护电路等进行了设计，并使用c a d e n c e 的s p e c t r 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。 为了实现无需滤波器的调制方案，系统采用了全差动的对称结构。电路中的 运放采用双端输出，分别输出反相的两路音频信号，p w m 调制器即比较器以及 后续的驱动电路均由传统调制方案中的一个变为两个，分别处理两路反相音频信 号。前置放大器通频带设计为音频频率范围，将输入信号的非音频成分滤除。为 了提高系统电源抑制比，降低谐波失真，本文设计了电压反馈环。为了消除功率 管的电流尖峰，在驱动级引入了死区时间，避免功率管由于大电流受到损害。经 过对这些模块构成的系统进行模拟和调试，仿真结果表明，系统能正常工作，性 能指标基本满足要求。 关键词：d 类音频功率放大器，脉冲宽度调制，无滤波器，效率 a b s t ra ( 玎 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t hc l a s sa ba u d i op o w e ra m p l i f i e r , c l a s sd a u d i op o w e ra m p l i f i e rh a s a l lo b v i o u sa d v a n t a g ew h i c hi sh i g he f f i c i e n c y h i g l le f f i c i e n c yc a l lm a k et h eb a t t e r y r u nm u c h l o n g e r , a n dm a k et h ea u d i op o w e ra m p l i f i e rd i s s i p a t el e s sh e a t f i r s t ，t h et h e o r yo fa l lk i n d so fa u d i op o w e ra m p l i f i e r si si n t r o d u c e d ，也e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r eb e e nc o m p a r e d t h e nt h et h e o r yo fc l a s sd a u d i o p o w e ra m p l i f i e ri si n t r o d u c e de m p h a t i c a l l y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm o d u l a t i o n s c h e m e ，t h ef i l t e r l e s sm o d u l a t i o ns c h e m ei sa n a l y z e d ，a n df i n a l l yb e e n u s e di nc i r c u i t t h ew h o l ec i r c u i ti n c l u d e sp r e a m p l i f i e r , c o m p a r a t o r , o s c i l l a t i o n ，d r i v e ，c u r r e n t r e f e r e n c e ，v o l t a g ef e e d b a c kl o o p a n dt h e r m a lp r o t e c t i o n ，o v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n ， s t a r t u pp r o t e c t i o n t h ec i r c u i ta n dl a y o u ti sd e s i g n e da n ds i m u l a t e dw i t h0 5 u mc m o s p r o c e s s i no r d e rt or e a l i z et h ef i l t e r l e s ss c h e m e ，t h ec i r c u i tu s e sd i f f e r e n t i a lt o p o l o g y o p e r a t i o n a la m p l i f i e r si n c i r c u i ta r ea l ld i f f e r e n t i a l t h e yo u t p u tt w oa u d i os i g n a l s w h i c hh a v ei n v e r tp h a s e t h en u m b e ro fp w mm o d u l a t o r sa n dd i v ec i r c u i ta r e c h a n g e df r o mo n et ot w o ，s ot h a tt h es y s t e mc a np r o c e s st h et w oa u d i os i g n a l sw h i c h h a v ei n v e r tp h a s e p r e a m p l i f i e r sp a s sb a n di sd e s i g n e dt of i tt h ea u d i ob a n d ，f i l t e r i n g f r e q u e n c yw h i c hi sh i g h e rt h a na u d i of r e q u e n c y i no r d e rt oi m p r o v et h ep s r ra n d t h d ，v o l t a g ef e e d b a c kl o o pi sa p p l i e d i no r d e rt op r e v e n tl a r g ec u r r e n tp a s s i n g t h r o u g hh b r i d g e ，d e a dt i m ei si n t r o d u c e di n t od r i v ec i r c u i tw h i c hc a np r o t e c tt h e h - b r i d g e t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nw o r kp r o p e r l y ；i t s p e r f o r m a n c em e e t st h ed e s i g n k e y w o r d s ：c l a s sda u d i op o w e ra m p l i f i e r , p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，f i l t e r l e s s ， e f f i c i e n c y i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：日期：犹褪年f 月劲日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：巍噼f 月加日 第一章引言 第一章引言 1 1d 类音频功率放大器的研究背景 音频功率放大器已经有一个多世纪的历史了，从最早的电子管放大器一直到 今天它都在不断的发展更新。随着时代的进步，各种便携式的多媒体设备成为了 多媒体设备的一个重要发展方向。从作为通信工具的手机到作为娱乐设备的m p 3 以 及便携式的d v d 等等，这些便携式的多媒体设备都需要有音频输出，都需要音频功 率放大器，同时它们都是由电池来供电。传统的a b 类功率放大器具有较好的线性 度，较低的失真，但是工作效率较低的问题一直无法很好地解决。d 类音频功率放 大器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【1 1 2 1 。 1 2d 类音频功率放大器的研究意义和现状 d 类音频功率放大器采用的技术为脉冲宽度调制技术p w m ( p u l s ew i d t h 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1 0 0 ，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【3 l 4 1 。 凭借其高效率的特点，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 电子科技大学硕士学位论文 快速上涨。 虽然d 类音频功率放大器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，当其用于手机等无线通信设备时会对信号传输造成干扰。2 谐波失 真高于a b 类，3 f 氐通滤波器占用额外面积且提高了成本。为此全球各大知名半 导体公司提出了相应的解决方案，比如德州仪器公司的无需滤波器的调制方案【5 】 【6 】，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 7 1 【8 1 ，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 i 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 k h z ，远远高于音频信号的 频率，因此大大降低了谐波失真，其谐波失真加噪声t h d + n 最低可达0 2 ，音 质接近a b 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 类音频功率放大器的集成电路实现，电源电压范围3 v 至 5 5 v ，输出功率可达2 w ，效率不低于8 0 。电路采用0 5 u m c m o s 工艺实现，并给 出了全部电路的设计与电路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： 第二章介绍了功率放大器的类型与原理。 第三章阐述d 类音频功率放大器的结构与工作原理。 第四章讲解系统中电路模块中的子电路：倒相器，传输门，施密特触发器， r s 触发器，d 触发器，讲述了它们的结构与原理，以及在系统的电路模块中的应 用。 第五章讲述了系统分析与设计过程，给出了相应的系统结构与电路结构。为 了实现无滤波方案，系统结构采用了全差分结构。电压增益分成两级来完成。第 2 第一章引言 一级的电压增益可以调节，由芯片外围电阻决定。第二级采用电压反馈环路，增 益为固定值。系统中的关键部分包括运放，比较器，驱动电路，h 桥，振荡器， 保护电路等，设计结合c a d e n c e 软件中的s p e c t r e 进行了仿真验证。 第六章介绍系统板图设计中采用的版图设计技巧，以及系统的整体版图。版 图设计采用的是c a d e n c e 中的v i r t u o s o 。 第七章为论文的总结。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章音频功率放大器的简介 2 1 声音的基本特性 音量：它与声波的物理量“振幅 有关，声波的振幅越大，人耳就感觉声 音越响，即音量越大，反之，则音量小。 音调：它与声波的物理量“频率”对应，频率越高，音调越高。人耳的听 觉范围从2 0 h z 至2 0 k h z ，低于2 0 h z 的声波称为次声波，高于2 0 k h z 则称为超声 波，人耳对于3 k h z 至4 k h z 的声音最敏感。 2 2 功率放大器的种类 功率放大器按照信号的导通角可以分为：a 类，b 类，a b 类，c 类和d 类 9 1 。 2 2 1a 类功率放大器 图2 1 是将扬声器负载r ，直接接在共集音频放大器发射级的a 类功放电路， 这种连接称为负载直接耦合a 类功放。若工作点安排在最大动态范围点一负载线 中点，且不计饱和压降，则吃上信号电压振幅等于电源电压的一半，所以最 大输出功率 = 如专警专鼍 陋， 而电源的输出功率为 = 乇= 等 ( 2 - 2 ) 所以负载直接耦合a 类功放最大效率只有2 5 。a 类功放效率低的原因是当输入 信号为零时，负载和晶体管仍然r 。要消耗直流功率。 4 第二章音频功率放大器的简介 图2 - 1 负载直接耦合a 类功放 c 吃 l 图2 - 2h 类功放的特性曲线 我们从图2 - 2 中的特性曲线中来讨论功率管的状态，图中左边为晶体管输入 特性，固定偏置所形成的工作点在q 点，当正弦音频信号输入时，其幅度未超出 线性范围，集电极电流为完整的全周导通的正弦波，此时导通角为3 6 0 度，( 导通 角是以功率管处于放大区的时间占整个信号周期的部分来计算的，若整个信号周 期中功率管都处于放大区则导通为3 6 0 度) 。a 类放大器失真较小，只受器件特性 曲线的影响，若器件线性响应好则失真非常小。 2 2 2b 类功率放大器 如果功放中的晶体管只有半周期工作在放大区，另外半周期截止，即导通角 为1 8 0 度。这就是b 类功放。电阻作负载的b 类功放必须采用双管，让其轮流导 通半周期，才能在负载上合成完整的输出电压。b 类功放在静态时电源不消耗功 率，因此效率较a 类功放大大提高。在分离元件电路占支配地位的历史时代，变 压器耦合b 类推挽功放曾广泛应用，但因变压器的诸多缺点，现在这类功放已经 退出历史舞台。 图2 - 3 给出了一种典型的b 类推挽电路以及其工作原理图。 5 电子科技大学硕士学位论文 ( a ) n p n - p n p 互补推挽功放 v c c 。 ( b ) 输入信号正半周使王工作( c ) 输入信号负半周使t 2 工作 图2 - 3n p n - p n p 互补推挽功放原理 当的幅度小于两管发射接导通电压时，两管未真正导通，i o l = f c 2 = o ， v o = o 。当u 0 6 v 时，互导通，正截止，等效电路如图( b ) ，此时。流过负载， 输出正半周。当v j a v 时，比较器输出信号翻转，系统停止工作。 本设计中保护电流的大小设计为1 2 a ，即当功率管瞬态电流超过1 2 a ，电路关断。 经过计算与仿真过流保护电路各管子参数设计如表5 1 l 所示 表5 1 1 过流保护电路各管参数 m o s w l ( u r n u r n ) m o s w l ( u r n u r n ) m 1 2 2 0 0 5f = 1 8 2 m 6 1 0 5 5 m 21 0 0 5m 71 5 5 m 3 4 0 3 m 8 7 5 5 m 4 2 0 2 m 9 1 5 5 m 5 1 2 0 5 5 3 1 0 启动保护电路 为了让系统在处理音频信号之前确保各模块已经进入稳定的工作状态，本文 设计了启动保护电路。该保护电路如图5 4 0 所示。这是一个由d 触发器构成的十 圪鲥 m c l k 图5 4 0 启动保护电路 位异步计数器，。输入信号为系统内部的时钟信号。输出信号从第九位d 触发器的 q 输出端引出。由此可知，启动时间如式5 - 3 8 所示，r o 为内部时钟信号周期。 t = 2 9 t o( 5 - 3 8 ) 在本设计中，内部时钟信号周期为4 u s ，则启动时间在2 m s 左右。当达到启 第五章集成电路的设计 动时间，由低电平转为高电平时，整个系统才能开始正常工作。此时，第一 位d 触发器的输入端恒定输入为l ，计数停止。当电路被s h u t d o w n 信号关断，或 者出现电源电压欠压情况，计数器清零。 5 3 1 1h 桥 h 桥是d 类音频功放的最终输出级。在无滤波方案中它的输出端是直接接扬 声器的。因为输出端电源电压绝大部分的压降都应该落在扬声器之上，所以落在 h 桥功率管上的电压降就要非常小，否则系统的效率将会降低。为了达到这个目 的，功率管的导通电阻必须非常小【2 1 1 。通常小于0 8 q 。处于线性区的m o s 管导 通电阻的计算公式如下： 如2 1 ( 5 - 3 9 ) 从公式5 3 9 中可知，要得到很小的如，功率管的罢必须非常大。 若忽略系统的功耗，当功放达到瞬时最大输出功率时，功放的效率由式5 - 4 0 决定 刁= 赤( 5 - 4 0 )驴疵 假定r = 8 5 ，吃= 4 欧姆，则计算可得功率管的导通电阻必须小于0 3 3 欧姆。 对于乞= 1 2 u a v 2 ，= 5 v ，= o 7 2 1 v ，l = o 5 u m ，功率管的宽度大约是 2 9 0 0 0 u m 。通常，在d 类功放的集成电路中，h 桥的四个功率管要占用大约一半的 版图面积。本文设计的h 桥功率管参数如表5 - 1 2 所示 表5 - 1 2h 桥功率管参数 p m o s ( u m u m )n m o s ( u m u m ) 2 2 0 0 5 ( m = 1 8 2 )7 5 0 5 ( m = 3 3 4 ) 5 5 电子科技大学硕士学位论文 5 4 系统性能仿真 本节对系统进行模拟仿真并给出了模拟结果。将上述电路模块构成系统，用 s p e c t r e 进行电路级仿真。模拟结果表明：系统能正常工作，效率能达8 0 ，性能 指标基本满足设计要求。 电源电压为5 v ，外置电阻r 取1 5 0 k f 2 ，输入信号1 0 k h z ，峰峰值为4 0 0 m y ， 负载为1 0 0 欧姆电阻时，电路仿真结果如下 5 0 0 1 nj 。52 02 ；j 0 t ：f r 时，f 6 j 图5 4 1 前置放大器正负输出端波形 前置放大器增益由外置电阻r 与r l 决定，从仿真结果看，输出信号的差分信 号峰峰值为4 0 0 m y ，该级的电压增益为1 。 。口p ，、 图5 4 2 两个比较器的输出波形 图5 4 2 所示为比较器输出波形中截取的一段，从中可以看出，随着输入音频信 号幅度的变化，比较输出的脉冲波形一个占空比增加，另一个减小。 5 6 第五章集成电路的设计 图5 4 3 负载两端差分输出波形 图5 - 4 4 负载两端差分信号离散傅立i 1 r 变换频谱图 从该图中可以看到，i o k h z 处信号幅度为7 0 0 m y ，与理论上应得到的电压值接 近。系统的谐波失真，也可以从音频带宽内的谐波分量大小得出，利用式3 5 计 算可得t h d 约为1 3 ，基本满足设计要求。 当电源电压为3 6 v ，外置电阻r 取1 5 0 k d ，输入信号为1 0 k h z ，峰峰值4 0 0 m v 时，负载两端差分信号频谱图如图5 4 5 所示 5 7 电子科技大学硕士学位论文 “； 瓮“剐j ；阳一：一1 ：。一 “氯o ；l o 薯j ； m 蠢。、。| 图5 - 4 5 负载两端差分信号离散傅立叶变换频谱图 利用式3 5 计算得t h d 为1 1 。音频功放t i d 的测量需要专业的仪器。对于 d 类音频功率放大器，需要搭建合适的电路将音频基波分量以及高于音频带宽内 的频谱成分滤除，剩下的就是音频带宽内的谐波与噪声，然后将其送入专业音频 分析的仪器测量其能量得到结果。由于时间关系，该设计暂未流片，目前只能在 电路仿真中模拟测量t h d 值。 根据图3 - 4 所述方法搭建电路计算效率，扬声器用8 欧姆负载电阻代替，输 入正弦信号，频率为i k h z ，峰峰值为1v 。由仿真结果计算得到数据如表5 - 13 所 表5 1 3 系统效率 效率 t 。p 加加只一。 圪一 il ， 昱删 5 v1 3 8 7 m a6 9 3 6 3 m w2 1 l v2 6 3 7 5 m a5 5 4 9 3 m w8 0 3 3 6 v1 7 6 i m a6 3 3 7 5 m w1 9 5 v2 4 3 7 5 m a4 7 5 3 1 m w7 5 负载电阻不变，输入正弦信号，频率为i k h z ，峰峰值为2 v 。系统效率仿真数 据如表5 1 4 所示 表5 一1 4 系统效率 效率 i 娜由? a v e 只舭圪。 ll ， 最。d 5 v 4 6 5 9 9 n 徂2 3 3 1 w4 0 3 v5 0 3 7 5 i n a2 0 2 7 w8 7 3 6 v6 4 6 6 0 m a2 3 2 8 w3 9 8 v4 9 7 5 m a1 9 8 1 w8 5 系统要减小失真，功率管的开关速度必须要快，最好不要超过5 n s 。此外必 须合理的设置死区时间。要提高效率则需要减小功率管的导通电阻，但减小导通 电阻需要加大功率管尺寸，那将增大电路的面积，提高电路的实现成本。 5 8 第六章版图的设计 第六章版图的设计 本系统采用0 5 u m c m o s 工艺，包含两层多晶，两层金属。版图设计使用的软件 是c a d e n c e 中的v i r t u o s o 。在本系统的版图设计中用到了以下的设计技巧来充分 利用版图面积，较低噪声，失调对电路的影响。 6 1 叉指晶体管 为了减小漏源结面积和栅电阻，沟道宽度大的晶体管常采用“折叠 的形式。 对于沟道宽度非常大的管子，如果采用图6 - 1 所示的简单结构还没有达到宽度要 求，须采用叉指结构，如图6 - 2 所示。根据经验，每个指状晶体管的宽度的选取 要保证晶体管的栅电阻小于其跨导的倒数。在低噪声电路中，栅电阻必须是跨导 倒数的1 5 到1 1 0 2 2 1 。 图6 1 简单的m o s 晶体管折叠结构 图6 2 叉指结构 6 2 对称性 全差动电路中的不对称性会产生输入参考失调电压，因而限制了可检测的最 小信号电平。尽管一些失配不可避免，但如果不充分注意版图中的对称性，就可 能产生大的失调电压。对称性设计还可以抑制共模噪声和偶次非线性效应。对于 5 9 电子科技大学硕士学位论文 重要的器件及其周围环境都必须进行对称性设计。如图6 - 3 所示差动对管m l 源区 的右边是m 2 管，而m 2 的源区右边是场氧。同样，m 1 与m 2 左边的环境也不一样。 图6 3 结构所固有的不对称性可以通过在晶体管两边加两个“虚拟”m o s 管的办 法加以改进，如图6 4 所示。这样可以使得m l 和m 2 管周围的环境几乎相同。 1 m 2 一一 l 露 l 霎 l 曩 虚拟管 m 1m 2虚拟管 l l l l 目 l d 豳 s l l 图6 - 4 增加虚拟管以提高对称性 对于大的晶体管，对称性就变得更困难了。例如，在图6 - 5 中的差动对中， 为了使输入失调电压较小，这两个晶体管的宽度都比较大，但沿x 轴方向的梯度 会引起明显的失配。为了减小失配，可采用“共中心”的布局方法，这样沿x 轴 和y 轴方向的一阶梯度效应就会相互抵消。如图6 - 6 所示，这种布局方法把m l 和m 2 都分成两个宽度为原来一半的晶体管，沿对角放置且并联连接。在本设计中 的运算放大器输入差分对管，就采用了虚拟管与共中心的方法来降低失调对电路 的影响。 第六章版图的设计 6 3 参考源的分布 在本设计的电路中，大部分内部模块的偏置电流和偏置电压都是来源于一个 基准产生电路。基准电路在整个芯片上的分布带来了许多严重的问题。如图6 7 所示，电流i r e f 由一个基准源提供，m 1 至m n 作为许多模块的偏置电流源远离晶 体管m r e f ，目相互间也离得比较远。如果电流l d i 至电流i d n 和i r e f 之问的匹 配很 苣要，就必须考虑沿地线的电压降。实际中，对于连在同一根地线上的大量 电路，电流源和i r e f 之间的系统失配可能很大。 图6 7 用于电流镜偏置的参考电压分布 为了解决上述的困难，参考源可以按电流进行分配。如图6 - 8 所示，其思路 是将参考电流走线连到相邻的模块，并且就地生成镜像电流。将连线电阻与电流 源串联，如果电路模块密集的出现在芯片上不同区域，这种方法可减小系统的误 差。但是，i r e f l 与i r e f 2 之间以及m r e f l 与m r e f 2 之间的失配还会带来误差。 6 1 电子科技大学硕士学位论文 6 4 保护环 图6 8 电流分布减小了连线电阻影响 为了降低衬底噪声的影响，版图中使用了保护环将电路模块包围，这可以使 其与其他电路产生的衬底噪声进行隔离。如图6 9 所示，是保护环的典型结构。 左边是n - w e l lp m o s 加n + 井接触，右边是p s b un m o s 加p + 衬底接触，中间就 是保护环，当然井接触、衬底接触也是保护的一部分。保护环为衬底产生的电荷 提供较低的到地阻抗。它可以防止电路出现闩锁效应。 一i 图6 - 9 保护环 6 2 奢 罂一沥隧缀滋重cj豁嚣张姥糟鲁强糍材蝣聪矿娃社m瑟。jo如零一缀嬲懋愿嬲凇凰 第六章版图的设计 整个系统的版图如图6 一1 0 所示。电路共九个焊盘，分别为电源，地，功率管 电源，功率管地，正负输入端，正负输出端，关断引脚。版图已通过d r c ，l v s 检查，使用的软件是d r a c u l a 。但由于时间关系，目前尚未投片。 图6 1 0 系统整体版图 版图长宽均为1 2 m m 。左边为4 个功率管构成的h 桥，它占用了将近一半的 版图面积。h 桥的中间为驱动电路。版图的中间部分为系统的比较器，反馈回路 中的两个运放与过流保护电路。右下部分为前置运放，基准电流源，欠压保护电 路，往上为振荡器，过热保护电路。右上角为启动保护电路。 6 3 电子科技大学硕士学位论文 第七章结论 本课题是对d 类音频功率放大器的研究与设计。首先论述了d 类音频功率放 大器的电路结构和工作原理，研究了d 类音频功放的高效率的原理。由于传统调 制方案需要输出滤波器，使得d 类音频功率放大器相比于a b 类在成本上处于劣势。 本文采用了目前常用的全差动的电路结构来设计整个系统，实现了无须输出低通 滤波器的目的。 论文的重点放在电路的设计上，在理论分析的基础之上，进行了整个d 类功 放的集成电路设计，当中包括运算放大器，比较器，振荡器，基准电流源，驱动 电路，功率输出级，保护电路等。在完成了电路的设计后进行了版图设计，完成 了版图的布局与绘制。 系统的电压增益由前置放大器与电压反馈网络决定，其中前置放大器外接电 阻可以根据应用需要而取不同阻值，以此来获得不同的信号电压增益。在电压反馈 环路当中，为了达到良好的低通效果，该级采用了两级运放构成。第一级运放构 成积分器，在低通滤波的同时提供对低频信号的放大，使环路达到深度负反馈的 条件，反馈环路的电压增益由反馈电阻所决定。驱动级的死区时间可以消除功率 管电流尖峰，但过大的死区时间又会严重影响系统的谐波失真( t h d ) 。经过仿 真调试，折衷设定为1 0 n s 。当电源电压5 v 时仿真结果t h d 为1 3 ，系统的效 率在5 0 0 m w 输出功率时能达到8 0 。 为了保护芯片，系统设计了启动保护，过流过热保护电路。启动保护电路将 电路启动时间设置为2 m s ，让各模块开始处理信号前已进入正常工作状态。过热 保护温度设计为1 5 0 度，当温度升高到使电路关断后，系统需降温到1 2 0 度才能 重新工作。过流保护电流检测功率管电流大小，当瞬时电流超过1 2 a 时，关断功 率管。直至电流大小恢复正常，电路才重新工作。 由于电路采用全差分的结构，在版图设计中各模块必须尽量确保对称分布。 为了降低噪声的影响，对于运放与比较器的差分对输入管都采用了虚拟管以及保 护环。 在电压反馈环的设计中，为了使环路满足深度负反馈的条件，最初的设计中 第七章结论 前向通路的第二级运放输入输出端的电阻电容采用串联方式。这样可以为低频信 号提供更大的电压增益，使电路更满足深度负反馈。但该结构使得整个反馈环路 的直流偏置电平只能依靠h 桥输出的脉冲波形中的直流分量反馈到输入端来稳定 前向通路中信号的直流工作电平。这就要求电路的失调电压必须很小，否则第二 级运放的输出很容易趋向饱和，从而导致整个系统输出完全错误。在对电路进行 仿真之后，始终无法在上述结构中使第二级运放输出稳定。因此，本设计只好采 用了，第二级运放输入输出端电阻电容并联的结构。在该结构中，第二级运放有 直流反馈回路，可以将输出信号直流工作电平稳定在设定的电位上，而不会进入 饱和状态。该结构令电压反馈环路更稳定，但会使前向通路的低频电压增益降低， 不如之前所述结构更能满足深度负反馈的要求。因此，改进电路设计，降低失调 电压对电路的影响，使得第二级运放输入输出端的电阻电容可以采用串联方式是 今后的主要目标。 通过这次毕业设计，我对d 类功率放大器的原理有了更深刻的理解。从系统 总体结构与电路的设计中使得我对集成电路的设计有了更深刻的认识。 6 5 电子科技大学硕士学位论文 致谢 在攻读电子科技大学硕士期间，我得到了许多老师、同学和工程技术人员的 指导和帮助，从他们身上我学到了很多有益的知识，培养了良好的学习和工作习 惯，在这里我要感谢他们! 我首先要向我的导师兰老师致以深深的谢意，兰老师对工作认真严谨的态度 值得我一生向他学习，他的教导让我在研究生学习期间受益匪浅。然后我要感谢 深圳市泉芯电子技术有限公司的黄朝刚博士! 黄博士不仅在学术上给予了我科学 细致的指导，而且在生活等各方面给予了我极大的关心和支持，使我的论文工作得 以顺利进行。我还要感谢李永红师兄，毛晓峰师兄，学校的同学们以及泉芯公司 的同事们，在课题设计过程中他们都给予了我热诚的帮助。谢谢你们! 参考文献 参考文献 【l 】j u nh o n d a ，j o n a t h a na d a m s c l a s sda u d i oa m p l i f i e rb a s i c s a p p l i c a t i o nn o t e ，a n - 1 0 7 1 【2 d o n d c l a s s - da u d i op o w e ra m p l i f i e r s ：a no v e r v i e w 2 0 0 0i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo n c o n s u m e re l e c t r o n i c sc i c c e ：4 0 0 - 4 0 1 【3 】en y b o e ，c k a y a , l r i s b o ，ea n d r e a n i a2 4 0 wm o n o l i t h i cc l a s s - da u d i oa m p l i f i e ro u t p u t s t a g e 2 0 0 6i e e ei n t e r n a t i o n a ls o l i d - s t a t ec i r c u i t sc o n f e r e n c 2 ，s e s s i o n l 9 ，a n a l o gt e c h n i q u e s ，1 9 1 【4 】m b e r k h o u t a ni n t e g r a t e d2 0 0 - wc l a s s o da u d i oa m p l i f e r 2 0 0 6i e e ej s o l i d - s t a t ec i r c u i t s ，v 0 1 3 8 ：l1 9 8 1 2 0 6 【5 】t e x a si n s t r u m e n t si n c o r p o r a t e d , c o n c e p ta n d m e t h o dt oe n a b l ef i l t e r l e s se f f i c i e n to p e r a t i o no f c l a s s - da m p l i f i e r s ，u n i t e ds t a t e s ，p a t e n tn o ：u s 6 2 6 2 6 3 2 8 1 ，j u l y l 7 ，2 0 0 1 6 】t e x a si n s t r u m e n t si n c o r p o r a t e d m o d u l a t i o ns c h e m ef o rf i l t e r l e s ss w i t c h i n ga m p l i f i e r s u n i t e d s t a t e s ，p a t e n tn o ：u s 6 21 17 2 8 b1 ，a p r 3 ，2 0 0 1 7 】s c o r e ，m i c h a d o p t i m i z e dm o d u l a t i o ns c h e m ee l i m i n a t e so u t p u tf i l t e r 2 0 0 0 ，10 9 m c o n v e n t i o n ：2 2 2 5 【8 】c h e n ，w a y n et a n dr c l i fj o n e s c o n c e p t sa n dd e s i g no ff i l t e r l e s sc l a s s da u d i oa m p l i f i e r s t e x a si n s t r u m e n t st e c h n i c a lj o u r n a l ，2 0 0 1 ，v 0 1 18 ，n o 2 9 】刘光沪，饶妮妮模拟集成电路基础成都：电子科技大学出版社，2 0 0 0 ，1 4 8 1 5 5 【l o 】雷张伟d 类音频功率放大器的设计： 硕士学位论文 成都：电子科技大学，2 0 0 2 【1 1 】龚伟，周雒维d 类音频功率放大器控制方式综述重庆大学学报，2 0 0 3 ，2 6 ( 2 ) ：1 1 7 1 2 2 【1 2 】l e i g h ，s p ，p h m e l l o r , a n