（微电子学与固体电子学专业论文）d类音频功放子系统的设计与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 。 随着人们对节能型、微小型电子产品的不断需求，低失真、高效率的功率放大器 的设计已成为当今研究的热点。传统的线性放大器虽然失真很小，但是效率不高，而 且需要大面积的散热片。采用c m o s 工艺的d 类音频功率放大器具有集成度高、占用 面积小、功耗低、散热量小、效率高、电路板( p c b ) 面积较小和成本低的特点。在 便携式电子产品市场快速发展的今天，d 类音频功放在p d a 、手机、m p 3 播放器等产 品中得到了广泛的应用。但是国内便携式设备所应用的d 类音频功放市场大部分仍然 被国外公司所垄断，在这样的形势下d 类音频功放的研究具有十分重要的意义。 在d 类音频功放各个子系统中，本文主要对p w m 比较器、死区电路、驱动电路 与输出级电路进行了详细的分析。p w m 比较器的电路主要由r a i l t o - r a i l 差分输入、 两级放大、锁存器、自偏置放大器和输出驱动器组成，可以有效的减小传输延迟和提 高转换速率。死区电路主要由互锁电路组成，可以有效的控制死区时间的大小。死区 时间过大，会限制最大输出功率；死区时间过小，可能会使电源与地短接，造成输出 级功率管流过很大的电流，降低其使用寿命。驱动电路主要由反向器级联组成，适当 的级联个数和放大倍数可以有效的降低传输延迟和提高驱动能力。输出级电路主要由 全桥电路组成，这种设计可以有效的减小电源母线的波动，得到正常的输出信号。 电路采用a m l0 6 t m c m o s 工艺，工作电压为5 v ，利用c a d e n c e 软件中的s p e c t r e 工具对电路进行了仿真验证。结果显示：p w m 比较器的输入共模电压范围( i c m r ) 为0 1 2 - 4 8 v ，传输延迟为3 6 n s ，上升沿转换速率为5 3 8 v u s ，下降沿转换速率为 5 4 5 v u s 。在死区电路的设计中，上升沿死区时间为1 1 8 7 n s ，下降沿死区时间为1 1 9 1 n s ， 频率响应范围为1 0 0 h z - - - 3 8 k h z 。当负载电阻为1 6 q 时，整体电路的最大输出功率为 4 7 5 m w ，效率可以达到8 2 6 6 3 ；当负载电阻为3 2 q 时，整体电路的最大输出功率为 3 1 6 m w ，效率可以达到9 1 2 2 1 ，这个结果符合设计要求。 关键词：d 类；p w m 比较器；传输延迟；转换速率；死区时间 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u i n gr e q u i r e m e n tf o re n e r g y - e f f i c i e n ta n dm i c r o - e l e c t r o n i cp r o d u c t s ，l o w d i s t o r t i o n , h i 曲e f f i c i e n c yp o w e ra m p l i f i e rd e s i g nh a sb e c o m eah o tt o p i co f t h ep r e s e n ts t u d y a l t h o u g ht h ed i s t o r t i o no f t r a d i t i o n a ll i n e a ra m p l i f i e ri ss m a l l ，t h ee f f i c i e n c yi sn o th i g h , a n d t r a d i t i o n a ll i n e a ra m p l i f i e rr e q u i r e sal a r g ea r e ao ft h eh e a ts i n k u s i n gc m o st e c h n o l o g y c l a s sda u d i oa m p l i f i e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hi n t e g r a t i o n , t h es m a l ls i z e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n , s m a l lh e a td i s s i p a t i o n , h i g he f f i c i e n c y , s m a l l e rs i z eo ft h ec f f c u rb o a r d ( p c b ) a n d l o wc o s t i nt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft o d a y sp o r t a b l ee l e c t r o n i c sm a r k e t ，c l a s sda u d i o a m p l i f i e rh a sb e e nw i d e l yu s e di np d a , m o b i l ep h o n e ，m p 3p l a y e ra n do t h e rp r o d u c t s b m m o s to fc l a s sda u d i oa m p l i f i e rm a r k e t sa r es t i l lm o n o p o l m e db yf o r e i g nc o m p a n i e si nt h e d o m e s t i cp o r t a b l ee q u i p m e r i ta p p l i c a t i o n s ，t h es t u d yo fc l a s sda u d i oa m p l i f i e rh a sg r e a t s i g n i f i c a n c ei ns u c has i t u a t i o n t h i sp a p e rm a i n l yc a r r i e so u tad e t a i l e da n a l y s i so fp w m c o m p a r a t o r , d 锐i dz o n ec i r c u i t , d r i v i n gc i r c u i ta n do u t p u ts t a g ei ne a c hs u b s y s t e mo fc l a s sd a u d i oa m p l i f i e r t h ep w m c o m p a r a t o rc i r c u i tm a i n l yi sm a d eu po fd i f f e r e n t i a lo u t p u tb yt h er a i l - t o - r a i l ，s e c o n d a r y a m p l i f i c a t i o n , t h el a t c h e ，s e l f - b i a s e da m p l i f i e r sa n do u t p u td r i v e ra n di t c a l le f f e c t i v e l y r e d u c et h et r a n s m i s s i o nd e l a ya n di m p r o v et h ec o n v e r s i o nr a t e d e a dz o n ec i r c u i t sa r e m a i n l yc o m p o s e db yt h ei n t e r l o c kc i r c u i ta n de f f e c t i v e l yc o n t r o lt h es i z eo ft h ed e a dt i m e i t c a nl i m i tt h em a x i m u m o u t p u tp o w e r i ft h ed e a dt i m ei st o ol a r g ea n dm a yc a u s es h o n - c i r c u i t b e t w e e nt h ep o w e rs u p p l ya n dt h eg r o u n di ft h ed e a dt i m ei st o os m a l l i tw i l lc a u s et h el a r g e c u r r e n tf l o wt h r o u g ht h eo u t p ms t a g ep o w e rt r a n s i s t o rw h i c hc a nr e d u c ei t ss e r v i c el i f e d r i v ec i r c u i ti sc o m p o s e dm a i n l yb yt h ei n v e r t e rc a s c a d e ，t h ea p p r o p r i a t en u m b e ro fc a s c a d e a n dt h em a g n i f i c a t i o nc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h et r a n s m i s s i o nd e l a ya n di m p r o v et h ed r i v e c a p a b i l i t y n eo u t p u ts t a g ec i r c u i ti sm a i n l yc o m p o s e db yf u l l - b r i d g ec i r c u i t t h i sd e s i g nc a l l e f f e c t i v e l yr e d u c et h ef l u c t u a t i o n so f t h ep o w e rb u s ，g e tt h en o r m a lo u t p u ts i g r l a l mc i r c u i tu s e sa v i io 6t u r nc m o sp r o c e s s ，t h ew o r k i n gv o l t a g ei s5 v , u s i n gs p e c t r e t o o li nt h ec a d e n c es o f t w a r eo nt h ec i r c u i ts i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ：l u v u tc o m m o n m o d er a n g e ( i c m r ) i s0 1 2 - - - 4 8 v , t h et r a n s m i s s i o nd e l a yi s3 6 m t h er i s i n ge d g eo ft h e c o n v e r s i o nr a t ei s5 3 7 v u s ，t h ef a l l i n ge d g eo ft h ec o n v e r s i o nr a t ei s5 4 6 v 憾i np w m c o m p a r a t o rc i r c u i t t h er i s i n ge d g eo f t h ed e a dz o n et i m ei s1 18 7 n s ，t h ef a l l i n ge d g eo ft h e d e a dz o n et i m ei s1 1 9 1 m f r e q u e n c yr e s p o n s er a n g ei sb e t w e e n1 0 0 h z 一3 8 k h z w h e nt h e l o a dr e s i s t a n c ei s16q ，t h eo u t p u tp o w e ro ft h ew h o l ec i r c u i ti s4 7 5 m w , t h ee f f i c i e n c yc a l l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 r e a c h8 2 6 6 3 ；v i 僵l f f t lt h el o a dr e s i s t a n c ei s3 2q ，t h eo u t p u tp o w e ro ft h ew h o l ec i r c u i ti s 3 1 6 r o w , t h ee f f i c i e n c yc a nr e a c h9 1 2 2 1 ，t h er e s u l t s a r ec o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c l a s sd ；p w mc o m p a r a t o r ；t r a n s m i s s i o nd e l a y ；c o n v e r s i o nr a t e ；d e a dt i m e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 进入2 1 世纪以来，便携式电子产品已经成为了电子设备发展的必然趋势。从通信 工具中用到的手机，到娱乐设备中用到的p d a ，这些都已经在日常生活中越来越多的 走进了人们的视野里。然而在这些便携式电子产品的应用中，不可或缺的都需要一个 音频输出设备，即音频功率放大器。与此同时它们都需要电池供电，所以都有使用寿 命。d 类音频功放在效率上具有明显的优势，并且使电池的工作时间得到了增加【l2 1 。 由于在这些环境的趋势下，d 类音频功放在市场上逐渐的占有了主导地位，并且越来 越多的应用于便携式电子产品中。 高效率的音频功放不仅应用于便携式电子产品中，而且在大功率电子设备应用中 也是非常重要的。随着人们生活水平的不断提高，高性能高效率的音响设备和家庭影 院越来越多的走入了人们的生活。然而在这些电子设备中，需要音响的功率都很大， 其中的一个关键部件就是需要一个低失真、高效率的音频功率放大器，所以d 类音频 功放在其中就扮演着十分重要的角色【34 】。 1 2 课题的国内外研究现状和意义 1 9 5 9 年由b a x a n d a l l 首先提出d 类音频功放的工作模式，即脉冲宽度调制( p w m ) 信号，由驱动电路驱动高速功率器件，再通过滤波器驱动喇叭还原出原始的信号。在 很早之前，由于真空管受到电压降与电流能力等方面的影响，研制高效率的d 类音频 功放的想法受到了很多方面的限制。在6 0 年代后期，双极型晶体管越来越多的引起了 人们的重视，研制低频下的d 类音频功放的条件也逐渐的成熟起来。由于d 类音频功 放需要在较高的频率条件下工作，其工作频率一般在8 0 k h z 以上，在这样的高频环境 下工作，连续不断的开关损耗就会在双极型晶体管上产生，导致d 类音频功放效率的 提高受到了限制。直到1 9 7 0 年，在金属氧化物半导体场效应管的出现下，研制宽频带 的d 类音频功率放大器已经成为了现实【5 q 。d 类音频功放本身所具有的显著优点，从 一开始就引起了电子和工业界的广泛关注【7 】。在工艺技术不断发展的今天，d 类音频功 率放大器的研究环境得到了很大的改善，在音质方面的性能越来越接近a b 类音频功 放，市场的占有率突飞猛进。2 0 1 0 年的市场需求已经在1 0 亿美元以上，发展前景是非 常的可观。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 早在2 0 世纪末，国际上几家著名的模拟i c 设计公司，如德州仪器( t i ) 、美国国 家半导体( n a t i o n a l ) 、美信( m a x i m ) 、意法半导体( s t ) 、t r i p a t h 公司和飞利浦( p h i l i p s ) 等都研制出了各自的d 类音频功率放大器。这些d 类音频功放产品，无论在输出功率， 还是在信噪比以及芯片面积上都有较好的性能。对d 类音频功率放大器的研究越来越 多的受到国内很多公司的青睐，以成都天奥集团为例，投资了4 5 万人民币专门用于研 究d 类音频功率放大器，但是目前仍处在研究阶段。国内便携式设备所应用的d 类音 频功放市场大部分仍然被国外公司所垄断，所以在这样的形势下研究d 类音频功放具 有十分重要的意义。本文主要研究的是小功率的d 类音频功率放大器，应用于m p 3 播 放器、手机、p c 机、平板电脑、汽车音响等便携式电子产品中。 1 3 本文的结构安排 d 类音频功率放大器由各个子模块共同组成，本文主要针对p w m 比较器、死区 电路、驱动电路、输出级电路进行详细的分析与研究。p w m 比较器是d 类音频功率 放大器的关键模块，本文设计的p w m 比较器有效的提高了传输延迟和转换速率。为 了使输出级功率管不会同时导通，必须设置死区时间，所以死区电路的设计也是十分 重要的。驱动电路的设计直接影响驱动输出级功率管的驱动能力。输出级电路的设计 与信号的稳定输出是密不可分的。本文通过仿真工具验证，优化功率管参数，提高了 整体电路的性能。具体内容安排如下： 第1 章主要介绍了课题的研究背景、国内外研究现状和意义。 第2 章主要介绍了各种功率放大器的工作原理以及各自的优缺点，同时详细介绍 了d 类音频功放主要的工作原理以及调制方式。 第3 章主要介绍了d 类音频功放中p w m 高速比较器的设计。 第4 章主要介绍了d 类音频功放中死区电路、驱动电路、输出级电路的设计。 第5 章主要介绍了d 类音频功放中子模块电路版图的设计。 最后主要介绍了对所做的工作的总结以及对未来需要做的工作的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章音频功率放大器的介绍 2 1 音响相关知识的介绍 在音响技术发展的整个历史过程中，经历了以下四个发展阶段：电子管、晶体管、 集成电路、场效应管。1 9 0 6 年真空三极管的出现，人类开创了在电声技术方面的一个 新的领域。1 9 2 7 年在负反馈技术上的突破，音响技术的发展又进入了一个新时代的跨 越。6 0 年代出现的晶体管，在广大爱好者的期盼下，一个更为广阔的音响天地浮现在 人们的视线里。7 0 年代初期，集成电路所具有的众多优势逐渐被音响界慢慢的认识。 7 0 年代中期，场效应功率管的发明，在音响界的应用中很快的得到了广泛的认可与推 广。直到今天，音响电路中广泛的使用厚膜音响集成电路和运算放大集成电路等，许 多放大器中的末级输出都采用了场效应管。总的来说，在音响发展的不同时期，表现 出了各自不同的特点。正因为这样，才推动了音响世界的不断前进与革新，从而发明 了更加适用于人们生活的电子产品。 2 1 1 声音的物理性能 物体在振动过程中引起了空气的振动后被人耳所感知的感觉就是声音。以下几个 要素构成了声音：音量、音高、音色以及音品【引。 音量：声音的响度就是音量，其主观评价最直接的界限就是人耳对声音强弱的感 知，主要通过声音的振幅来表示音量的大小。 音高：人耳对声音音调高低的主观评价的尺度就是音高，评价音高的主要手段是 声音的频率。 音色：声音的频谱就是音色，人耳在对声音的音高和音色方面都有很好的判辨能 力。 音品：声音的波形包络就是音品。音品通常被称为音质，主要由谐波和波形的包 络组成，包括了声音的开始与结束。 2 1 2 衡量音响的主要技术指标 子系统本身性能的好坏会影响到整个音响系统技术指标性能的优劣程度，如果提 高各个子系统的技术指标，那么对于整个系统来说整体的性能将会得到改善。可以通 过以下几项技术指标来体现系统性能的好坏【9 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 一、频率响应：在音响功放的频率范围内声音的浮动随频率变化的关系称为频率 响应。一般检测此项指标的参考频率为l k h z ，音响系统的频率响应范围理论上在 2 0 - - 2 0 k h z 之间。 二、信噪比：即s n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o ) ，狭义来讲是指放大器的输出信号的 电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生 的杂音越少。检测此项指标主要是通过有无信号状态下系统所产生的噪声的对数比值 来表示的，好的音响系统的信噪比一般都在8 5 d b 以上。 三、动态范围：当音响系统输出的最大的不失真功率与系统静态时的输出噪声功 率之间的对数比值来表示系统的动态范围，经过实际应用可以得出动态范围在1 0 0 ( 1 b 以上的音响系统的性能是比较理想的。 四、失真：原信号与音响系统输出信号之间的波形、频率等部分的变化通常称为 失真。音响系统的失真主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真。 2 2 功率放大器的种类 功率放大器可以分为两种：一种是线性功率放大器；一种是非线性功率放大器。 一般来说，线性功率放大器可以分为三种：a 类、b 类、a b 类，它们通常情况下称为 模拟放大器。线性放大器具有高保真的特点，但是效率往往是比较低的。由于受到当 时条件的限制，在过去的很长一段时间里，高保真的音频功率放大器始终被a 类与a b 类所占有，而b 类放大器在播放过程中由于严重的失真很难被人们所接受。但是，在 这些高保真的音频功率放大器中，虽然在音效方面基本上达到了原始输入信号的质量， 但是他们的效率始终不是很高。在现代工艺技术快速发展的时代，放大器的设计思想 也在不断的创新。基于这些技术的不断革新，非线性放大器也得到了人们的关注，利 用开关管的工作原理，很大程度的提高了工作效率。d 类功放正是利用这种原理来提 高工作效率的，所以它的研究逐渐的得到了重视。在历史发展的进程中，线性与非线 性放大器在音响的世界里始终扮演着非常重要的角色，下面通过详细的分析与研究来 介绍这两类放大器f 1 0 1 。 2 2 1a 类放大器 a 类( 甲类) 放大器是最简单的放大器，其输出级晶体管的导通角度为3 6 0 。， 也就说无论有无信号输入时，输出级晶体管始终处于导通状态，并且有电流流过。由 于a 类放大器始终处于导通状态，并且晶体管处于线性状态，所以根本不会产生交越 失真，因此声音中最理想的放大电路的设计就是a 类放大器。但是这种电路设计存在 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 着弊端，a 类放大器最大的缺点就是效率很低，在没有信号输入的情况下仍然有电流 流入，这些电能全部都转为了热量散发出去【1 2 1 。 y n d ( b ) a 类放大器的特性曲线可以由图2 - 1 ( a ) 表示：通过固定的偏置所形成的静态直 流工作点为q ，工作电流为奶。在一个完整的信号周期中，a 类放大器的功率管始终 处于导通状态，并且一直处于线性工作区。其最大的优点是线性度最好，失真最小。 图2 - i ( b ) 为a 类放大器的的工作原理图。假设其输出信号为s i i l 耐，可以得到： 刖= 学= 芈 沼d 由式( 2 - 1 ) 可得负载的平均功率为： 昱= 三tr 旦挚= 三tr 兰挚2 r 南 r ， 由 7 = 三f ，盟一三堡f ： c o s 2 a x d t l = 旦 ( 2 - 2 ) r l2 吃2 也w2 吃 电源输入功率为： 鼻= br ( + 乏s 证耐卜 = 如= 冬 ( 2 剐 由式( 2 - 3 ) 可得整个电源的输入功率b 为： b=0+0=2vojco(2-4) a 类放大器的工作效率刁为： 刁= 扣阶故去琏卜 沼5 ) 由式( 2 5 ) 可以知道：当= d ，巧= r ：时，a 类放大器的工作效率最高，其值 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 可以达到2 5 。在实际应用中，由于a 类放大器的工作效率很低，并且散热量很大， 所以当输出功率在1 w 以上的时候，通常情况下是不会采用这类放大器的。 2 2 2b 类放大器 b 类( 乙类) 放大器在工作状态下无信号输入时，输出级晶体管处于截止状态， 所以没有电流流入，基本上不会产生任何信号。当有信号输入时，每个输出级晶体管 相互之间轮流工作，各自放大一半的输入信号波形。在这样的工作方式下，就会在两 个输出级晶体管之间产生交越失真，形成不可避免的非线性失真。b 类放大器的效率 平均在7 5 左右，由于无信号时输出级功率管处于截止状态，所以相对于a 类放大器 来说产生的热量较低。b 类放大器常见的工作方式可以分为o c l 和b t l 两种电路。 b t l 电路的工作方式可以提供更大的功率，现在大多数功率集成电路都可以组成b t l 电路。正因为a 类放大器与b 类放大器的各自特点，人们总是试图把这两类放大器连 接起来，采用各种办法，提高其线性度与效率。有这些理论的基础做铺垫，进一步的 促进了b 类放大器的发展。 b 类放大器的特性曲线可以由图2 2 ( a ) 表示：由于b 类放大器的静态工作点q 处 在截止点上，并且k = 0 ，此时整个电路的输出功率也等于零。只有有信号输入时，输 出信号才会产生，并且由电源提供的输出功率会随着输入信号的变化而变化。在理想 情况下，b 类放大器的最大输出功率可以达到7 8 5 。b 类放大器的工作的原理图如图 2 2 ( b ) 所示。 i j ( 曩)( b ) 图2 - 2 ( a ) b 类放大器的特性曲线；( b ) b 类放大器的原理图 假设b 类放大器的输出信号为巧s i n a r ，得到负载的平均功率丑为： 只=三堡(2-6) 2r ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 电源输入功率为； 弓= 。= 喙) b = 冬+ 辱= 2 ( 矧 工作效率7 7 为： ，7 = b p _ _ lx 1 0 0 = 条等1 0 0 由式( 2 9 ) 可知当= 时，b 类放大器的工作效率最大，其值为： ，7 = 署= 7 8 5 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由式( 2 1 0 ) 可知：b 类放大器的最大工作效率为7 8 5 。图2 2 ( b ) 中b 类放 大器的工作原理图中没有d c 偏置电流，并且静态偏置电流奶为零。当没有信号输入 时，并没有电流流过输出端，所以大大的减少了功率管的功率损耗1 3 】。 2 2 3a b 类放大器 a b 类( 甲乙类) 放大器是在b 类放大器结构设计基础上，在两输出级晶体管栅极 上分别增加了偏置电压，在一定程度上减少了因交越失真而引起的非线性。与前两类 放大器相比，a b 类放大器无论在性能上还是在效率上都是一个不错的折中。无输入信 号时，输出晶体管上只有少量的电流流过。当输入信号比较小时，工作模式为a 类， 可以提高其线性度；当输入信号比较大时，工作模式为b 类，可以提高其效率。通常 a b 类放大器驱动负载的能力很强，往往用在缓冲级电路中。 ( b ) 图2 3 ( a ) a b 类放大器的特性曲线；( b ) a b 类放大器的原理图 a b 类放大器的特性曲线如图2 - 3 ( a ) 所示：a b 类放大器的静态工作点为q ，半 个周期以上 0 。由于在两个输出级功率管上都设计了偏置电流，当输出电压在比较 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 低的情况下，两个输出级功率管都处于导通状态，工作状态与a 类基本相同。随着输 入信号电压的不断增加，输出级功率管中的一个将处于截止状态，而另一个将处于工 作状态，并且提供更多的电流，线性度在a 类和b 类之间。a b 类放大器的工作原理 图如图2 3 ( b ) 所示：由于在两个功率管栅极上都加有正向偏置电压，导致其效率不 会太高，一般在7 0 左右。普通机1 0 w 的a b 类音乐播放器一般在5 w 内的工作模式 为a 类，所以在音乐播放器中，a b 类功放一般都工作在a 类，只有当具有瞬态响应 时才会转变为b 类工作方式。 2 2 4c 类放大器 功率管处于放大区的时间小于半周期的功放称为c 类功放。静态偏置点在截止点 之下，输入信号只有超过偏置点部分的时候管子才会导通。该类功放只有用具有选频 特性的元件作负载才能克服非线性失真，在倍频或者射频放大中多用于高频功放【1 4 1 。 2 2 5d 类放大器 d 类放大器是指通过控制功率器件开关的开通和关闭来驱动输出负载工作的一种 放大器。一般来说功率放大器可以分为两种，分别是准数字功率放大器和数字功率放 大器【1 5 】。前者通过数模转换器，再通过模拟功率放大器进行信号的放大；后者实际上 就是一种纯数字的功率放大器，不需要经过任何模拟功率放大器进行信号的放大。 当d 类放大器的功率管开启时就会将负载与供电电源直接连接，由于功率管的电 压降很小，可以忽略不计，因此基本上无功率消耗。当输出晶体管处于关闭状态时， 因为没有电流从功率管上流出，所以不会产生功率的损耗，理论上其效率可以达到 1 0 0 1 6 1 。但是在实际应用中，功率管关断时有部分漏电流，导通时仍然有导通电阻， 所以存在着一定的功率损耗【1 7 1 。d 类放大器的工作效率通常在8 0 至9 0 之间。从之 前各类功率放大器的介绍可知，影响功率放大器效率最多的因素是电路的静态损耗和 输出级功率管自身的功率损耗。在这些方面的比较下，d 类功率放大器表现出了很多 的优势。 2 2 6 功放小结 一般来说根据偏置电压以及导通角的不同，可以将功率放大器分为a 类、a b 类、 b 类三种工作类型。此类型的功率放大器可以通过调节导通角的大少来改变它们的工 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 作效率。另种类型的放大器为d 类功率放大器，其输出级功率管工作在开关状态。 这种工作状态下的线性度是比较低的，但是效率往往是非常高的。如表2 1 所示：a 类 功率放大器的失真度最小，但是效率很低，并且占用的面积大；b 类放大器由于工作 状态中输出级功率管是交替工作的，造成了交越失真，并且失真度很大，效率得到了 明显的改善，但是占用面积很大；a b 类是结合了a 类与b 类放大器各自的特点，失 真度相对于b 类好很多，效率较b 类低，但是比a 类高，占用面积也很大；d 类功 率放大器由于工作在开关状态，所以失真度比较大，但是正因为如此其效率非常高， 并且占用面积小。 表2 1 各种放大器性能比较 放大器种类a 类b 类a b 类d 类 导通角度 0 = 3 6 0 。9 = 1 8 0 。1 8 0 。 8 其中 咋一 ( 3 - 4 ) 其中( 唯一h ) 吃 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 j 盯“一 一 0 写 v l i i y ；一y - v 争一二 图3 - 3 ( a ) 包含输入失调电压比较器的传输曲线；( b ) 电路模型 失调电压是比较器的另一个非理想特性。在图3 1 ( a ) 中可以清楚的看到当输 入电压如果不在零点上时，输出电压的值就会随着输入电压的变化而发生变化。图3 3 ( a ) 给出了包含输入失调电压比较器的传输特性曲线。通过与图3 1 ( a ) 的对比，只 有当输入电压之差达到某个+ 时输出电压才会发生变化，通常定义这个+ 。为输入 失调电压。在不同的设计电路中，电路之间的连接会产生不同的失调电压f 2 7 】，这种情 况下将会带来不可预测的结果。图3 3 ( b ) 给出了包含输入失调电压比较器的电路模 型，图中给出的失调电压前的正负号说明了其值的不可确定性。 除了以上比较器所具有的特性外，比较器还有差分输入电阻、电容、输出电阻以 及共模输入电阻。在通常情况下比较器的输入端为差分输入，输入共模范围在其中 也起着非常重要的作用，输入共模范围是指比较器的共模输入电压范围。在比较器的 二进制之间转换的区间内输出数字电压可能没有达到设计的要求，此时存在的噪声对 比较器性能的影响是不可忽视的。比较器的噪声主要存在于电压转移的过度区间中， 如图3 _ 4 所示，同样噪声将会产生过度区间的不稳定性，在正常工作下这种过度区间 的不稳定性带来的后果将导致比较器输出值的不确定性，会对整个电路产生抖动以及 相位噪声，影响整体电路的性能。 图3 _ 4 噪声对比较器的影响 图3 5 给出了同相比较器的传输时延示意图，通过激励信号的输入，输出响应在 之后将会产生一个时间延时，一般情况下产生的时间延时是不可避免的。在数模转换 过程中，比较器的转换速率是非常重要的，然而时间延时限制了这个非常重要的参数。 通过图3 5 所示的传输时延受到的各方面的影响，可以知道当输入幅度变大时传输时 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 延会随之减少。但是这种变化不会一直持续下去，当输出电压的幅度达到一定的电压 时，比较器的传输时延不在受这样的规律而变化，此时的电压值往往被称为摆率。 图3 - 5 同相比较器的传输时延不恿图 比较器频率响应决定了小信号的动态特性，在这种特性下可以假设一个简单模型 的差分增益： 桫等= 筹 5 ， 皱一 式( 3 5 ) 中的4 ( o ) 为比较器的直流增益，婢= l 乞为比较器频率响应的主极点的- 3 d b 频率。一般情况下比较器的4 ( 0 ) 与运算放大器的4 ( 0 ) 相比要小很多，但是比较器的嗥 与运算放大器的吧相比要大很多。 由上面的介绍可以知道比较器的精度是二进制之间转化的最小电压差，其最小的 输入电压可以表示为： 憾。特 ( 3 - 6 ) 如图3 - 6 所示，如果圪比圪( 最小) 大，则输出的上升时间或者下降时间将会变短。 当以圪( 最小) 加在比较器的输入端时，得到： 姓2 叫o ) 【1 矿f c 蹦卧枷) 1 序】( 埒) ( 3 - 7 ) 当输入的电压为圪( 最小) 时的传输延迟时间可以表示为： f ，( 最大) = 乞l n ( 2 ) = 0 6 9 3 乞 ( 3 8 ) 这一传输延迟时间在比较器的正负方向的输出都是有效的。 吃( 最小) 的k 倍，则传输延迟时间可以表示为： 。= 驰( 告) 如果输入的电压是 ( 3 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 其中： 很明显，可以得到以下的结论： 将会越小。 0 ( 3 - 1 0 ) 所引起的传输延迟时间， 图3 _ 6 比较器的小信号瞬态响应 当不断的增加比较器的输入电压时，比较器的工作模式将会进入大信号。这种模 式下的工作状态将会受到电容充放电速度的影响，在一定程度上限制了摆率。此时比 较器的摆率决定了它的传输时延，传输时延可以表示为： t = = ( 3 ) o r a _ 竺v v o - v o , 11sr2 x s r 当摆率决定了比较器的传输时延时，解决电容充放电速度的影响就变的极其的重 要，解决这种限制的电路将会在下面的小节中进行介绍。 3 2p w m 比较器电路的设计与实现 p w m 比较器的设计决定了整个电路性能的关键所在，在处理音频信号的数据上， 影响p w m 比较器主要性能的技术指标有以下几项：大的带宽、高的增益、良好的抗 噪声能力。高的转换速率需要大的带宽，精度越高需求的增益也越高，准确的输出信 号需要的抗噪声能力也要强。本文设计的p w m 比较器电路主要由r a i l - t o r a i l 输入级、 两级放大、锁存器、自偏置放大器和输出驱动器组成。这种设计不仅提高了比较器的 抗噪声能力，而且还提高了比较器的速度。下面主要对各个部分进行详细的介绍与分 析。 3 2 1r a i l - t o r a i l 输入级的设计 为了使比较器输出信号能够精确的控制功率m o s f e t 管，本文所设计的比较器采 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 用了r a i l - t o r a f t 输入级结构，使其输出的共模范围能够在k 之间，这样在工作 过程中可以精确的得到所要求的输出信号电压值【冽。 图3 7 比较器r a g - t o - r a i l 输入级电路结构 比较器的输入级电路结构如图3 7 所示：r a i l - t o r a i l 输入级主要由m 1 和m 2 组成 的p m o s 管以及由m 3 和m 4 组成的n m o s 管构成。p m o s 差分结构的共模输入范围 为o 一i f _ i l ，n m o s 差分结构的共模输入范围为+ ， 经过计算可以得到总的输入级共模输入范围为0 i ，由式( 3 2 0 ) 得到的拉普拉斯反变换： a v o ( t ) = a v , 。e - r = a v f e - f 1 窖l 矗) f 。p 粕甩，f 巧 ( 3 2 2 ) 有锁存器的时间常数为： f ，三= 一c ( 3 - 2 3 ) f ，一= 一 。g 。rg m 若这里的电容c 基本上是栅源电容，那么可以得到锁g - 器的时间常数为： 气= 丽0 6 7 w 丽l c o x o 6 7 塌气= 再丽雨如丙7 面 从而锁g - 器的响应时间为： 吃，( f ) = e s ： a v i ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 很明显可以得到：k 越大，锁存器的响应速度越快，因此需要一个足够大的巧增加 锁存器的正指数特性曲线，而两级放大的设计使得吆满足了k 的需求，保证了锁存 器在开始工作下能够快速的获得大的输入电压，提高了比较器的响应速度。 3 2 3 自偏置放大器与输出驱动器的设计 为了使比较器在很短时间内能够驱动大的输出电容，在锁存器的两个输出端加上 了一个自偏置差分放大电路【3 1 1 。驱动大电容的工作原理如图3 1 1 所示，当正输入电压 n + 增大时，m 2 9 和m 3 2 的漏极电压下降，使m 2 8 导通，电流增大，这个电流通过 m 3 0 流向连接在m 3 0 和m 3 3 漏极的输出电容，此时m 3 4 的电流为零。当输入电压v i n 十 下降时m 3 4 导通，大电流将会经过输出电容与m 3 3 泄漏，这种结构的电路具有吸入和 供出大电流的能力。 = = 图3 1 l 自偏置差分放大器电路示意图 在自偏置差分放大器的输出端接一个输出驱动反相器，此结构在下一小节中给出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 这样的结构在高低电平转换中具有很强的驱动能力，使吸入和供出电流方面的能力能 够继续增大，解决了在前面章节中所受摆率影响时的传输时延的问题。输出驱动反向 器结构中不会产生大的静态电流，减少了因静态电流而引起的功率损耗，提高了工作 效率。 3 2 4p w m 比较器整体电路图 - - _ ； 两级放大 i r a i l t 0 r a i j 输入级 ； 两级放大 i 锁存器 i 自偏置差分放大嚣；输出驱动嚣i i 亡= = = = = 上= 二：= = 二二：= 二：七：= = = = = 匀! 嫂亡= = = = = = 曲ii1 - l 。_ _ - i l i j i l j i - l j l 1 1 j _ i _ - j - j 1 j _ 1 i l j 1 1 j l j i i - - l 卜1 _ - 卜- 卜r _ - _ 1 - - _ - - _ _ _ 1 _ 一 i l iii 吉 il i _ 一一j - - 一一一j j l 一一_ 一_ j 图3 1 2 本文提出的p w m 比较器整体电路原理图 图3 1 2 为本文所设计的p w m 比较器整个电路原理图。在速度很快并且噪声幅度 很大的情况下，输出级电路会产生不必要的噪声信号。输入信号与标准的三角波信号 在进行比较的过程中，为了使输出的数字信号能够正确的反应输入信号的幅度，尽量 使比较器的输出信号能够达到满的量程。本文设计的r a i l t o r a i l 输入级结构，不仅可 以达到满的输出量程，而且有效的抑制了噪声的干扰。 在后续电路中需要考虑死区电路的设计，本文设计的比较器采用了两级放大和锁 存器电路，不仅降低了比较器的传输时延，而且提高了比较器的响应速度，为后续电 路的设计提供了更佳的设计环境。 当比较器的传输时延受到自身的摆率影响时，这时电流的吸入和供出能力的增强 是非常重要的。本文设计了自偏置差分放大和输出驱动反向器的电路结构，解决了这 方面的影响，并且提高了后续电路的驱动能力。 3 3 整体电路的仿真与分析 为了验证本文所提出的p w m 比较器电路结构的正确性，对整体电路的特性进行 了详细的分析。电路设计基于a m l0 6 1 m c m o s 工艺，所有的仿真波形均在c a d e n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 软件下的s p e c t r et 具中得到的，提供的电源电压为5 v ，基准电流源为5 0 0 u a 。 3 3 1 电源抑制比 在实际应用中电源电压含有一定的噪声，为了有效的抑制电源的噪声对输出信号 的影响，需要了解电源上的噪声是怎样影响输出端的。电源抑制比( p s r r ) 是输入电 源变化量与输出变化量的比值，常用分贝表示，可以由式