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中功率d 类音频放大器的设计 摘要 本文提出了一种中功率d 类音频功率放大器的设计，它可用于驱动平板电 视、平板显示器、多媒体系统、家庭音响及无线话筒等设备。该芯片采用o 5 ur nb c d 工艺，效率高，功耗低，免用散热片。它的工作电压范围为1 0 - 3 6 v ( 单电源供电) 或5 l8 v ( 双电源供电) ，电路有两个音频通道，可连接成 立体声或单声道模式，立体声模式下平均值输出功率可达2 1 5 w 。该芯片功 能强大，有休眠、静音、正常工作和错误四种工作模式，具有热反馈、过热、 过流、过压、欠压以及电源电压不平衡等多种保护电路，通过专门的电路处理 保证上电和断电时没有p o p 噪音。 文中作者首先阐述了d 类功放的原理，然后根据本芯片的功能要求进行了 电路的总体结构设计和子电路设计。重点分析了以下子模块电路：基准电压源 及各种偏置电压电路、振荡器电路、模式控制电路、v i i 转换电路、p w m 电路、 驱动电路和保护电路等。 在完成电路原理分析与电路结构设计的基础上，应用e d a 软件c a d e n c e s p e c t r e 对各个子电路模块和整体电路进行了功能仿真，仿真结果均达到或优于 预定指标，验证了设计理论，完成电路：仿真后进行了版图设计和版图验证。理 论分析和仿真结果表明，在典型情况下该电路的总谐波失真较低，电源抑制比、 共模抑制比、通道分离度较好，且效率较高，与其它同类功放相比，此芯片能 提供较好的音质和系统稳定性以及更全面的保护能力。 关键词：功率放大器；中功率：d 类；脉冲宽度调制( p w m ) d e s i g no fa nm e d i u m - p o w e rc l a s s da u d i oa m p l i f i e r a b s t r a c t a m e d i u m - p o w e rc l a s s - da u d i oa m p l i f i e ri sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，i ti su s e d t od r i v ed e v i c e ss u c ha sf l a t p a n e lt e l e v i s i o ns e t s ，f i a tp a n e lm o n i t o rs e t s ， m u l t i m e d i as y s t e m s ，h o m es o u n ds e t sa n ds oo n i ti sah i g h e f f i c i e n c yl o w 。p o w e r d i s s i p a t i o na m p l i f i e ri m p l e m e n t e dw i t h0 5l amb c dp r o c e s s ，a n dc a nb eu s e d w i t h o u ta n ye x t e r n a lh e a ts i n k t h e c h i pc a nw o r ki nv o l t a g ef r o mi o vt o3 6 v a s y m m e t r i c a lo r 5 vt o 18 vs y m m e t r i c a l ，i th a st w oa u d i oc h a n n e l sa n dc a nb e c o n n e c t e dt os t e r e oo rm o n om o d e ，t h er m s o u t p u tp o w e ri s2 15w i ns t e r e om o d e t h i sc h i pi sp o w e r f u l ，i ts u p p o r t sf o u ro p e r a t i n gm o d e sa s s l e e p ，m u t e ，o p e r a t i n g a n df a u l t m a n yp r o t e c t i o n sa sf o l l o w sa r ea l s ob u i l ti n ：t h e r m a l f o l d b a c k o v e r t e m p e r a t u r e ，o v e rc u r r e n t ，o v e rv o l t a g e ，u n d e rv o l t a g e ，u n b a l a n c ev o l t a g ea n ds oo n a n dd u et os p e c i a lm e t h o di th a sn op o p n o i s ew h e ns u p p l yt u r n o no rt u r n o f f t h ep r i n c i p l eo fc l a s s da m p l i f i e ri si n t r o d u c e da tf i r s ti nt h i sp a p e r t h e nt h e e n t i r e t o p o l o g y a n ds u b b l o c kc i r c u i t s a r ed e s i g n e dw h i c ha r es a t i s f i e dt h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s s o m et y p i c a l c i r c u i t sa r em a i n l y a n a l y z e d ：r e f e r e n c e v o l t a g ea n do t h e rb i a sv o l t a g ec i r c u i t s ，o s c i l l a t o r ，m o d ec o n t r o lc i r c u i t v i c o n v e r t e r ，p w m ，d r i v e rc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i t s b a s eo na n a l y z i n gc i r c u i t t h e o r y a n d d e s i g n i n gc i r c u i tt o p o l o g y , e v e r y s u b - b l o c kc i r c u i ta n dt h ee n t i r ec i r c u i ta r es i m u l a t e db yt h ec a d e n c es p e c t r et 0 0 1 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nr e a c ht h eg o a la n dt h et h e o r yh a sb e e nv e r i f i e d t h e nt h e l a y o u td e s i g na n dl a y o u tv e r i f i c a t i o nh a v eb e e nd o n e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h e c h i ph a sl o wt h d ，g o o dp s r r ，c m r r ，c h a n n e ls e p a r a t i o na n dh i g hp o w e r e f f i c i e n c y c o m p a r i n gw i t ho t h e rs i m i l a rp r o d u c t s ，t h i sc h i ph a sb e t t e rs o u n d q u a l i t y ，s y s t e ms t a b i l i t ya n dm o r eo v e r a l lp r o t e c t i o n s k e y w o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r ；m e d i u m p o w e r ：c l a s s d ；p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) 图表清单 图2 1d 类功放原理框图3 图2 - 2p w m 原理图3 图2 3d 类功放基本结构4 图2 4 加了负反馈的d 类放大器5 图2 5d 类功放全桥结构5 图2 - 6 死区时间示意图6 图2 7 二极管的反向恢复过程7 图2 8 体二极管的反向恢复特性7 图3 1 系统结构框图1 1 图3 2 典型应用电路( 单电源供电立体声模式) 1 4 图4 1 启动电路1 7 图4 2 启动电路瞬态仿真结果1 8 图4 3v m 随温度和v d d a 的直流扫描结果1 9 图4 4 带隙基准电压及c t a t 电流电路。19 图4 5 基准电压v r e f 和c t a t 电流i c t a t 随温度变化的仿真结果2 0 图4 6 基准电压v r e f 和c t a t 电流i c t a t 随电源电压变化的仿真结果2 1 图4 7 设计思路来源2 l 图4 8d r e f 电路2 2 图4 - 9d r e f 随温度和电源电压变化的仿真结果2 3 图4 1 0 振荡器结构框图2 4 图4 1 1p t a t 电流产生电路2 4 图4 1 2 振荡回路原理图2 6 图4 1 3i b i a s 0i 遍v d d a 的变化2 7 图4 1 4 振荡器的瞬态响应。2 7 图4 1 5 振荡器频率随r o s c 的变化2 8 图4 1 6 振荡器频率随v d d a 和t e m 1 的变化2 8 图4 1 7i - w p 电路原理图2 9 图4 18i - i v p 实际电路图2 9 图4 1 9h 、厂p 电路瞬态仿真结果。3 0 图4 - 2 0h v p 随温度和v d d a 的变化3 0 图4 2 1i n r e f 电路图31 图4 - 2 2v r e f 3 和i n r e f 随温度和v d d a 的变化( 单电源供电) 3 1 图4 - 2 3v r e f 3 和i n r e f 随温度和v d d a 的变化( 双电源供电) 3 2 图4 。2 4 音频通道框图3 2 图4 - 2 5p w m 信号3 4 图4 。2 6 v _ i 转换电路一3 5 图4 2 7i m u t e 直流扫描3 6 图4 2 8g m 随i m u t e 的变化3 6 图4 2 9 积分器电路。3 7 图4 3 01 2 产生电路3 8 图4 3 1v t 仿真结果图3 8 图4 3 2 积分器中放大器的电路结构3 9 图4 3 3 积分器中放大器的相位裕度3 9 图4 3 4 驱动电路结构框图4 0 图4 - 3 5v b o o t 产生电路及d r i v e re n a b l e 电路4 0 图4 3 6e n a b l e 电路仿真结果4 l 图4 3 7l e v e l s h i f t e r 电路图4 1 图4 3 8l e v e l s h i f t e r 仿真结果4 2 图4 3 9t f 和o t p 电路图4 2 图4 - 4 0t f 和o t p 温度扫描4 3 图4 4 1o c p j i g h 电路图4 4 图4 4 2o c p电路图44_low 图4 4 3 过流保护电路仿真结果4 5 图4 4 4 过压欠压保护电路4 6 图4 4 5 过压欠压电路仿真结果4 6 图4 _ 4 6 延时电路4 6 图4 。4 7d e l a y 仿真结果4 7 图4 4 8 总延时电路4 7 图5 1 系统仿真测试原理图( 单电源供电立体声模式) 5 0 图5 2 仿真结果( 单电源供电立体声模式) 5 1 图5 3 系统仿真测试原理图( 单电源供电单声道模式) 5 2 图5 - 4 仿真结果( 单电源供电单声道模式) 5 2 图5 5 系统仿真测试原理图( 双电源供电立体声模式) 。5 3 图5 6 仿真结果( 双电源供电立体声模式) 5 3 图5 7 系统仿真测试原理图( 双电源供电单声道模式) 5 4 图5 8 仿真结果( 双电源供电单声道模式) 一5 4 图6 1l d m o s 器件结构图5 6 图6 2 保护环示意图5 6 图6 3n 阱少子保护环。5 7 图6 - 4 多子保护环5 7 图6 5 启动电路和模式控制电路版图5 8 图6 - 6 带隙基准，电压保护，热反馈和过热保护电路版图5 9 图6 7 振荡器版图5 9 图6 8 时序管理模块版图。5 9 图6 - 9 整体版图6 0 表3 1 滤波器元件参数1 5 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他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。 学位论文作者签字： 阀媛竣 签字日期：剜p 年牛月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金理王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金胆王些太 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文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适用本授权书) 学位论文者签名： 阌援狻 导师签名： i i ! - 字i i i i ：加? 9 年牛月“日签字日期：励年妒月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在本论文完成之际，衷心向我尊敬的导师解光军教授致以最真挚的感谢和 敬意! 感谢解老师对我学习和工作的谆谆教导，对我生活的体贴与关怀。解老 师严谨的治学态度、渊博的学术知识、孜孜不倦的工作精神和平易近人的生活 作风给我留下了深刻的印象，让我终身受益。 感谢深圳市先功集成电路有限公司的华玉栋总经理，是他给予我实习的机 会，让我参与了d 类音频功率放大器的设计，为我的学习和工作提供了一个很 好的平台。华经理经常教导我们要善于思考，要时常“吾日三省吾身 ，这一年 多的实习经历使我成长了许多。华经理对我的学习、工作和生活都给予很多帮 助，在此致以衷心的谢意。 感谢张昌璇、张晓明等师兄师姐们，他们在我的学习和工作中给予了真诚 的帮助和鼓励，提出了很多启发性的建议，使我少走许多弯路。在此深表谢意! 感谢我的同事华玉涛，金鲜首，邹超凡，张红强，叶刘晓，何学宇，胡昌 顺等人，是他们对我的项目给予了指导和建议，使我能够顺利完成项目! 感谢我的同学于攀，沈勇，王忠涛，徐慧芳等，在实习期间他们帮我处理 了学校里的很多事情，使我能够顺利工作。感谢他们的无私帮助，感谢他们陪 我度过了美好的校园时光。 感谢我的父母和姐弟，他们给了我一个和睦融洽幸福的家，使我能够放心、 快乐的学习。他们给予我经济上的支持和精神上的鼓励，使我顺利完成学业。 最后，向所有关心和帮助过我的亲人、师长、同学和朋友致以最诚挚的谢 意! 作者：周嫒嫒 2 0 1 0 年3 月 第一章引言 音频功率放大器是用来为发声输出设备提供需要的音量和功率水平以重现 输入音频信号，保证重现的忠实性、高效率以及低失真度【。 1 1d 类音频功放的优势 现今几类基本功放拓扑中( a 类，b 类，a b 类，c 类，d 类等) ，a b 类功 率放大器已经被广泛应用于手机、m p 3 和r a p 4 播放器等多种音频产品。a b 类 功率放大器能够高质量地放大音频信号，它很适用于耳机和一些小功率喇叭。 但是由于越来越多新生的便携式产品对多媒体功能有了更高的要求，例如3 d 环绕音效，立体声音频以及大音量输出已渐渐成为新一代便携式多媒体产品不 可或缺的功能1 2 j 。a b 类功率放大器已经不能满足消费者对更小的外形设计、使 用更薄的电池以及更高的效率的追求了。而d 类放大器恰恰具有高效率、低功 耗、小尺寸的优势，它不仅节约了能源，还能实现大功率音频输出。虽然d 类 放大器也存在固有的成本、性能和e m i 等方面的不足，但是对于大多数应用而 言，使用它们所带来的好处已经远远超过它们的不足【3 】。利用d 类功率放大器 可以设计出更小更薄和更有效率的电子产品，可延长便携式产品电池的使用时 间，因此它越来越受到重视，并且得到了广泛的应用。 1 2d 类音频功放的发展 音频放大器已经发展了将近一个世纪了，过去数年来d 类功率放大器的市 场呈曲线上升的趋势，它将逐渐取代a b 类功率放大器并在新产品的设计中具有 很大的优势。总的来说，d 类放大器的设计经历了三个阶段 4 1 ： 第一阶段的典型例子是由t o c c a t a 设计的t a c t m i l l e n n i u m ，它证实了d 类放 大器的概念，但是对该技术的讨论结果是它还没法提供足够的性能，这使得第 一阶段的d 类放大器把关注焦点由可能性转移到实用性，由设计可以工作的器 件变成设计具有广泛市场需求的器件。 第二阶段d 类放大器通过改进两个方面来应对市场需求的挑战。一是使它 变得比较紧凑而且价格可以接受；二是它能实现接近甚至比a b 类放大器更低的 功耗，从而得到了一定程度的应用。 第三阶段d 类放大器也就是最近一段时间，o e m 和d 类功放设计者之间 增加了协作，o e m 设计者不但可以更好的理解d 类放大器的优势，而且为芯 片制造商提供市场机会和市场需求方面的深刻观点；同时芯片设计者也能更加 容易地了解市场反馈回来的信息，解决了第二阶段中d 类放大器的缺陷，使得 第三阶段的d 类放大器的设计更加集中于特定应用需求，它们在封装、性能、 音质、价格和核心技术方面都取得了巨大的改进。 1 3d 类音频功放的分类 d 类功放按照功率大小可分为低、中、高三种等级。低功率d 类功率放大 器由于高效率、低功耗的特性，它被各类便携式产品使用得越来越多；中功率 d 类数字功率放大器由于可以不用散热片，降低了成本，它在l c d 薄型电视市 场的应用必将逐渐增加。高功率的d 类功率放大器在汽车音响也将占有一席之 地，在这么高的功率下，d 类功率放大器免不了使用散热片，但散热面积与散 热量比a b 类功率放大器需要的小，由于d 类功率放大器的高效率，它可以在 不启动汽车引擎的条件下有较长的使用时间而不消耗太多电瓶的电量【5 】。 1 4 本文所做的工作 近年来，随着l c dt v m o n i t o r 等薄型视讯产品的普及，中功率d 类音频 功放由于免用散热片的特点很适合用于这些产品中，受到了业界的青睐。本课 题就是在这种背景下提出的，是与公司合作的项目，要求设计一款中等功率音 频功放，可用于驱动平板电视，平板显示器，多媒体系统及家庭音响等设备。 本文根据设计要求提出了一种中功率音频功放的设计方案。首先，借鉴已 经成熟的产品，从系统的角度出发选择所需要的电路结构，确定所需模块的功 能及其参数指标：其次，根据参数指标分析并设计各个子模块，利用代工厂提 供的模型参数对每个子模块电路进行仿真验证；接着再将所有子模块连接在一 起，对整个系统进行功能验证和性能仿真，保证电路能够满足设计要求；最后， 进行版图设计和布局，并对版图设计中的些问题进行介绍。本文主要由以下 几部分构成： 第一章：引言 第二章：d 类音频功放原理 第三章：设计要求及总体结构设计 第四章：子模块电路设计与仿真 第五章：系统仿真 第六章：工艺及版图设计 第七章：总结 2 第二章d 类音频功放原理 音频放大器已经有将近一百年的历史了，最早的电子管放大器的第一个应 用就是音频放大。然而，到目前为止它仍在不断的更新，发展和前进。纵观音 频放大器已有的拓扑结构，a 类、b 类、a b 类和c 类放大器之间的区别仅仅 是静态工作点不同而已【6 】：a 类放大器的静态工作电流最大，即使没有音频输 入信号，它也要消耗电流，功耗很大，效率最低，然而它的失真却是最低的； b 类放大器的导通时间为5 0 ，它的效率远远高于a 类放大器，但它的失真也 更严重，音质比较差，这是因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切 换时会造成线性失真( 交越失真) ；a b 类放大器是a 类和b 类的折衷，它的导 通时间在5 0 到lo o 之间，它可以防止交越失真，提供良好的音质，功耗接 近b 类放大器；c 类放大器的导通时间小于5 0 ，一般用于以调谐回路为负载 的射频放大器中。而d 类放大器具有完全不同的拓扑结构，它也被称为“数字 音频放大器 。下面就d 类功放的工作原理，基本结构，失真原因和设计因素 进行介绍。 2 1d 类功放的工作原理 圈s w i t c h i n g i 出圈l o w - p a s s 矿八缎j 圈s p e a k e r 图2 - 1d 类功放原理框图 如图2 1 所示，d 类功放主要由三个功能模块构成，即脉冲宽度调制器、开关放 大级和低通滤波器。脉冲宽度调制技术( p w m ) 指的是矩形脉冲的宽度由模拟音频 信号的幅度调制。d 类功放的基本工作原理就是：模拟音频输入信号经过脉冲宽度调 制以后成为一系列占空比不同周期相同的等幅脉冲信号，然后通过开关放大级将此脉 冲信号放大，实现功率放大，最后通过低通滤波器滤掉不需要的高频分量，就可以得 到放大以后的音频信号。 2 i 1p w m 原理 图2 - 2p w m 原理图 3 脉宽调制可以用一个等幅三角波对音频信号进行采样来实现，如图2 2 所 示，v i n 为输入模拟音频信号( 调制波) ，v t 为三角波信号( 载波) ，v 。u t 为v i n 对v t 进行调制后生成的p w m 输出信号，可见，v o u t 的脉宽是跟随v i 。幅度的 变化而变化的。载波v t 的频率大小决定了对输入音频信号的采样速率和对输 出滤波器的要求，影响了器件的尺寸、成本及性能。载波频率较低时，为了得 到不失真的输出信号，要求输出滤波器的截止频率也较低，这样就必须增大滤 波器的尺寸，从而增加芯片面积，提高成本。根据采样定理【7 1 ，如果载波v t 的频率f c 与输入信号v j n 的最高频率f i n m 。x 满足： f c 2 f i n m 觚 ( 2 1 ) 那么，用低通滤波器就能不失真地恢复原信号。实际上，为了实现产品性 能和尺寸方面的折衷，一般将f c 设计为f i n m 。x 的十倍以上【8 】。 2 1 2 开关放大级 由于模拟音频信号是包含在脉冲信号的宽度之中而不是幅度之中，幅度上 的失真不会造成原来音频信号的失真，这样，d 类放大器就可以完全工作在开 关状态。晶体管工作在开关状态下的效率是很高的，因为晶体管完全导通时电 流很大但是v d s 很小，而在截止的时候，v d s 很高，但是流过晶体管的电流很 小。同时在没有音频信号时，还可以使晶体管完全工作在截止状态，这样它的 效率就更高。 开关放大级是d 类放大器设计中非常重要的一环，它的导通电阻，开关速 度，体二极管效应都对功放电路的性能有重要影响。开关放大级输出功率m o s 管主要考虑的参数有【9 l ： 漏源击穿电压b v d s ，它必须大于或等于管子的额定电压，与温度有关； 栅电荷q g ，与温度无关，它的数值越小开关速度越快，开关损耗越小； 漏源导通电阻r d s ( o n ) ，它随着温度的升高而增大，数值越大管子的传导损 耗也越大； 体二极管恢复特性：恢复电荷q 恢复时间t 恢复电流i q r r ，t r r ，i r r 越小，d 类功放就具有更好的t h d ，e m i 和更高的效率n 。 2 2d 类功放的电路结构 图2 - 3d 类功放基本结构 4 图2 3 为d 类放大器最简单的电路结构【6 】。p w m 调制器仅由一个比较器 c o m p 实现，比较器负端输入的是模拟音频信号v i n ，正端输入的是三角波载波 信号v t ，则比较器输出的就是脉宽受到v i n 调制的矩形波。该矩形波直接加到 一对互补晶体管进行放大，放大后的矩形波经过由l 1 ，c l 构成的低通滤波器 后，不需要的高频信号被滤掉，得到放大了的音频信号。这种结构的p s r r 几 乎为0 ，失真很严重，可以通过采用负反馈来减小失真，如图2 4 所示。 r 1 | 图2 - 4 加了负反馈的d 类放大器 d 类放大器有两种输出结构，即半桥和全桥【9 1 ，图2 3 和2 - 4 均为半桥结构， 全桥结构如图2 5 所示。显然，全桥结构需要比半桥结构多出一个音频通道的 元件数，但这是微不足道的，多出的元件数换来的是性能上的提高，不仅输出 功率提高了，而且全桥结构的差分输出方式能够有效地消除谐波失真和d c 偏 移，改善了音质，它可以不需要负反馈，很适合用于开环设计。 图2 - 5d 类功放全桥结构 2 3d 类功放的失真及其原因 一个完美的d 类音频放大器不仅不能有音频信号失真，而且在人耳的听觉 范围( 2 0 h z 2 0 k h z ) 里也不能有噪声，效率还要达到百分之百。可惜的是，现 实中失真是无法避免的。d 类功放的失真是由以下六个因素造成【1 0 1 ： ( 1 ) 从调制器到开关输出级中，如果采样信号发生时序抖动，就会使p w m 信号产生非线性失真； ( 2 ) 死区时间、开关时间和上升沿下降沿时间： 5 ( 3 ) 输出低通滤波器( l p f ) 的非线性； ( 4 ) 电源电压波动引起的失真； ( 5 ) 环路寄生效应可能会引起瞬态自激振荡； ( 6 ) 开关功率器件的背栅二极管特征以及有限的导通电阻、开关速度。 2 3 1 死区时间 h i g h l a w 彩彰 d e 喜彭 | 杉 图2 - 6 死区时间示慈图 一般来讲，栅极信号的开关时序误差是造成非线性失真的主要原因，特别 是由死区时间产生的时序误差更会造成d 类功放的失真。死区时间是输出功率 管同时关断的时间，如图2 6 斜线区域所示。数十纳秒的死区时间就可以产生 大于1 的t h d ( 总谐波失真) 【i 。于是，需要采取均衡设计，因为一定的死区时 间可以保证两个输出功率管不会同时导通，死区时间太短会使输出功率管同时 导通，电源电压与地被短路，产生很大的击穿电流，从而烧坏器件。d 类功放 是需要一定数值的死区时间的，各种器件的有效死区时间跟随其工作温度的变 化而变化，必须从实际应用角度出发选择最合适的死区时间。设计一个可靠的 d 类功放，至关重要的是要保证死区时间总是正的，以免击穿m o s 管。 2 3 2b u sp u m p i n g 现象 图2 3 的半桥输出结构容易发生b u sp u m p i n g 现象【9 1 ，因为在开关级中的 能量流动是双向的，能量会在一个时段从d 类放大器反馈回电源电压。这个能 量主要是存储在输出l p f 的电感中。通常，电源电压是没法吸收从负载中反馈 回来的能量，因此总线电压被抬高，导致电压波动。由于这种功放的增益是与 电源电压成正比的，电压波动就会引起失真，可以通过加负反馈等方式使增益 与电源电压无关来解决。全桥结构不会发生b u sp u m p i n g 现象，因为从开关一 边反馈回电源电压的能量会被另一边的开关消耗掉。 2 3 3 电磁干扰( e m i ) d 类功放具有与a b 类放大器不同的工作模式，它会产生一些高频谐波。 6 虽然入耳听不到这些谐波频率，但它会干扰射频等高频率信号，电磁干扰( e m i ) 就成为d 类功放必须面对的一大挑战。d 类放大器的e m i 源主要来自功率m o s 管的背栅二极管的反向恢复电流。二极管的反向恢复过程是由电荷贮存效应引 起的l l 引，如图2 7 所示，如果二极管原来加有正向偏压，在t o 时刻突然变为负 偏压，那么正偏时积累在p 区的大量电子就要被反向电场拉回到n 区，所以在 开始的瞬间，反向电流i f 很大，经过一段时问( t s + t f ) 后，这些积累的电子一 部分在p 区被复合掉，一部分已流到n 区，反向电流也恢复到正常情况下的反 向漏电流值i o 。 i t 图2 7 二极管的反向恢复过程 对于d 类功放输出级功率管的体二极管的反向恢复特性如图2 8 所示。假 设刚开始时，上边功率管关断，下边功率管导通，流入输出l p f 中的电感电流 如图2 8 ( 1 ) 所示，接着下边功率管也关断，则它的体二极管导通以维持l p f 的电感电流( 如图2 8 ( 2 ) ) ；一旦上边功率管导通，体二极管就进入反向恢复 过程( 如图2 8 ( 3 ) ) 。这个反向恢复电流很大且具有尖峰形状，频率很高，从 而产生了e m i 噪声。 吣 v 一 图2 8 体二极管的反向恢复特性 2 4d 类功放的设计因素 虽然d 类放大器具有很多优势，但是还有一些重要问题需要设计工程师考 7 虑，包括【l ”：输出晶体管尺寸选择；音质；调制方法；输出级保护；l c 滤波 器设计；抗电磁干扰( e m i ) ；系统成本等。 ( 1 ) 输出晶体管尺寸的选择：输出晶体管尺寸的选择是为了在宽的信号范 围内降低功耗，它是将传导损耗降至最小与将开关损耗降至最小的一个折衷。 当输出功率很高时，输出晶体管尺寸主要由传导损耗决定，当输出功率比较低 时，主要由开关损耗决定。 ( 2 ) 输出级保护：在输出级必须加保护电路以避免危害，主要有过热，过 流，欠压，过压保护及输出晶体管导通时序的控制。 ( 3 ) 音质：d 类放大器为了获得好的音质必须解决以下几个问题。 咔嗒声：放大器导通或关断时发出的咔嗒声很烦人，然而，它很容易被引入到 放大器中。这就需要时刻关注放大器的输出级时序、调制器状态和l c 滤波器状态。 信噪比( s n r ) ：为了防止放大器发出嘶嘶声，低功率放大器的s n r 通常应该高于 9 0d b ，中等功率放大器的s n r 应该高于1 0 0 d b ，大功率放大器的s n r 应该高于1 1 0 d b 。 电源抑制比( p s r r ) 如前面所述，图2 3 所示电路中，电源电压产生的噪声直 接耦合到扬声器，几乎没有抑制作用，因为输出级功率晶体管通过一 个很小的电阻将电源连接到低通滤波器。使用具有高环路增益的反馈 可以解决这个问题，l c 低通滤波器输入的反馈很大程度地提高了 p s r r 并且衰减所有非l c 滤波器失真源。但是反馈会增加放大器设 计的复杂度，因为需要保证环路的稳定性。 ( 4 ) 抗电磁干扰( e m i ) ：d 类放大器输出的高频分量会产生大量e m i 并且 干扰其它设备的工作。需要重点考虑两种e m i ：一是辐射到空间的信号，二是通 过扬声器及电源线传导的信号。 减小e m i 的方法有：将承载高频电流的环路面积减至最小；保持死区时间 非常短；使用肖特基( s c h o t t k y ) - - 极管与输出功率管的寄生二极管并联，以转移 电流并且防止寄生二极管一直导通；在成本和e m i 性能之间的一种好的折衷方 法是通过屏蔽减小来自低成本鼓形磁芯的辐射。 ( 5 ) l c 滤波器设计：大多数d 类放大器都采用二阶低通l c 滤波器设计， 目的是为了节省p c b 面积，节约成本。为了使滤波器的效果最好，设计工程师 应选择精确的扬声器模型。滤波器的选择是为了将滤波器响应减至最小以获得 最低带宽。对于高达2 0k h z 的频率，要求下降小于l d b ，则滤波器应具有4 0 k h z 巴特沃斯响应，才能获得最大平坦通带。 ( 6 ) 系统成本：d 类放大器的低功耗节省了散热装置的成本以及p c b 面积， 它可采用比模拟线性放大器尺寸小和成本低的封装。主要的成本缺陷是l c 滤波 器，因为电感器不仅占用p c b 面积而且成本很高。总体来说，大功率d 类放大 8 器仍具有市场竞争力，因为在散热装置节省的大量成本可以抵消l c 滤波器的成 本。但是对于低功率d 类放大器而言，电感器的成本是很高的。 可以采用两种方法来解决这个问题，一种方法是采用无滤波器放大器设计， 这种设计在便携式应用中经常采用，但不适合大功率系统。另一种方法是将每 个音频通道所需要的l c 滤波器元器件数减至最少，这可以通过使用单端半桥输 出级实现。 9 第三章设计要求及总体结构设计 在充分了解d 类功放的工作原理，基本结构，失真原因及其设计因素之后， 本章根据芯片设计要求，进行了芯片的总体结构设计。 3 1 设计要求 不同国家和厂家生产的d 类功率放大器的档次和性能有一定的差异，即使 是同一品牌的功率放大器也有不同的档次。虽然有些功放在其所标示的技术指 标上差异不大，但它们隐含的性能指标却有较大差异，例如在可靠性、功放本 身的功率储备和一些特殊性能方面会有所不同。因此，为了让本设计更具有市 场竞争力，本文要求设计的d 类功放应具有以下特点： 1 ) 单电源供电( 1 0 3 6 v ) 或双电源供电( 5 l8 v ) ； 2 ) 有两个音频通道，可连接成单声道( b t l ) 模式或立体声( s e ) 模式； 3 ) 最大不失真连续功率在典型条件下( v p = 2 2 v , t a m b = 2 5 ) ，立体声应用时 能达到2 1 5 w ( r l = 4q ) ，单声道应用时为1 3 0 w ( r l = 8q ) ； 4 ) 效率高，功耗低，失真小； 5 ) 全差分输入； 6 ) 电路在上电和断电时不会发出p o p 噪音( 噗哧声) ； 7 ) 具有热反馈和过热保护功能； 8 _ ) 先进的过流保护电路( o c p ) ； 9 ) 全面的电压保护电路，包括过压，欠压和电源电压不平衡保护； 1 0 ) 特殊的窗口保护电路； 1 1 ) 有休眠，静音，正常工作，错误四种工作模式； 1 2 ) 可以使用芯片内部或外部振荡器( 主从模式) 。 3 2 系统结构设计 根据3 1 节所述的设计要求，在深入了解d 类音频功率放大器的原理之后， 参考了诸多已经成熟的产品 1 4 - 1 6 】，借鉴前人的成功经验，提出本芯片的系统结 构。 3 2 1d 类功放系统结构 本芯片的系统结构如图3 1 所示。虚线框中的两个音频通道c h a n n e l l 和 c h a n n e l 2 的电路结构是一致的，包括了v - i 转换器，p w m 调制器，控制电路 c t r l 及驱动电路d r i v e rh i g h ，d r i v e rl o w 。其余就是两个音频通道共用的模块， 有带隙基准电压源和基准电流电路( 图中未画出) ，振荡器电路o s c i l l a t o r ，模 式控制电路m o d ec o n t r o l ，保护电路p r o t e c t i o n s ，时序管理电路m a n a g e r ，输 入端( i n i p , i n i n ，i n 2 p , i n 2 n ) 偏置电压产生电路i n r e f ，数字模块参考电压产 1 0 生电路d r e f ，驱动电路参考电压产生电路s t a b i l i z e r 以及产生电压值为0 5 ( v d d a ) 参考电压的电路h v p r e f ，h v p l 和h v p 2 。下面就各个模块的功能进行介绍。 v o d a 图3 - 1 系统结构框图 1 ) o s c i l l a t o r 用于产生方波信号，方波信号作用有二： 经过积分电路生成p w m 的载波三角波信号； 作为数字电路的时钟信号。 该电路还可用于主从模式的设置。设计主从模式功能是为了保证多片功放 共同驱动一个音频设备时，时钟信号能够同步，避免差拍。在o s c r e f 脚外接 一个电阻和滤波电容则振荡器能够起振，并输出方波信号，此时功放工作在主 人模式，它可以为其它功放提供时钟信号。改变这个电阻值即可改变振荡器频 率；若将o s c r e f 脚直接接到模拟地，则振荡器不会起振，功放工作在从属模 式，依靠工作在主人模式的功放提供时钟信号。 2 ) v - i 转换 通过一个跨导放大器将输入音频电压信号转换为电流信号。这块电路还 能控制芯片进入静音模式，方法就是将v i 转换器关闭。 3 ) p w m 调制器 p w m 调制器由积分器和比较器组成。它与传统的p w m 调制器有所区别， 它不是直接用音频信号去调制载波三角波，而是将音频信号转换为锯齿波后再 与载波三角波进行比较，产生p w m 方波信号。 4 ) c t r l 电路 产生正确的时序控制信号，控制输出功率管有序的开启和关断，防止输出 功率管同时导通，主要的信号是置位和复位信号。 5 ) d r i v e r 电路 每个音频通道都有两个驱动电路即d r i v e rh i g h 和d r i v e rl o w 分别驱动两输 出功率管。它们的电路结构相同，都包含了三个主要的子电路：驱动使能电路， 准备信号产生电路，电平位移电路。 驱动使能电路：当驱动电路偏置电压b o o t l 、b o o t 2 、s t a b1 、s t a b 2 小于 一定值时，使能信号为低电平，驱动电路不工作。 准备信号产生电路：用来产生准备信号，作为c t r l 电路的输入控制信号。当 功率输出级的输出电压o u t l 和o u t 2 为高电位时，准备信号 为低电平；若为低电位，则准备信号为高电平，预示着电路已 经做好准备。 电平位移电路：c t r l 电路产生的是控制信号是低电位的( 0 5 v ) ，而d r i v e r h i g h 电路采用的偏置电压b o o t l 、b o o t 2 是高电位的，当电 源电压为2 2 v 时，它能达到3 2 v 。为了保证信号间的正确传输， 需要在它们之间加一个电平位移器将低压控制信号转换为高压 信号。 6 ) 模式控制电路m o d ec o n