（微电子学与固体电子学专业论文）音频功率放大器的分析与设计.pdf

西北大学硕士学位论文 摘要 随着现代电子技术的发展，集成电路被广泛地应用于各类电子电路中。随着半导体 技术的进步，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。音频功率放大器是功率集成电 路的重要组成部分，并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子 商品市场和生产基地，音频功率放大器的需求日益倍增。因此研究音频功率放大器有着 非常重要的现实意义。 本论文设计了一款b 类双声道，输出功率为2 6 w ，且具有静音待机功能的音频功放。 在深入研究和分析大量音频功放工作原理的基础上，以t d a l 5 1 7 的模块为参考，结合多 种类型电路模块的优缺点，设计了输入级，中间级，推挽式输出级等十几个模块电路， 运用c a d e n c e 软件工具完成了整个系统的仿真，仿真结果达到预定的电学性能指标。整 个系统电路稳定性好，总谐波失真小，可靠性高。 基于华润晶芯1 6 u m 双极工艺，应用c a d e n c e 下的v i r t u o s ol a y o u te d i t o r ，依 据器件的匹配原则、布局布线原则完成了电路芯片的版图绘制，并且通过了设计规则检 查( d r c ) 、电学规则检查( e r c ) 以及电路图与版图一致性检查( l v s ) ，验证了版图绘制的 正确性。 关键词 功率放大器，双极工艺，输入级，版图 西北大学硕士学位论文 t h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f a u d i op o w e r a m p l i f i e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o po fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，i cp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ev a r i e s f i e l d so fe l e c t r o n i cc i r c u i t w i t ha d v a n c e si ns e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，p o w e ra m p l i f i e r c i r c u i th a sb e e nt h er a p i dd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n a u d i op o w e ra m p l i f i e ri sa l li m p o r t a n t p a r to fc o n s u m e re l e c t r o n i cp r o d u c t s ，c h i n a - 一o u rc o u n t r yi st h em o s ti m p o r t a n tm a r k e to f c o n s r l l l e rp r o d u c t sa n dt h eb i g g e s tw o r l dm a n u f a c t u r ec e n t e ro fc o n s u m e rp r o d u c t s ，t h en e e d o fa u d i op o w e ra m p l i f i e ri sm o l ta n dm o l l ，s oi ti sav e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o l a u n c har e s e a r c ho na u d i op o w e ra m p l i f i e r t h ed e s i g n e dc i r c u i to fp a p e ri sa ni n t e g r a t e dc l a s s - bd u a lo u t p u ta m p l i f i e r 、 ，i m m u t e s t a n d b ys w i t c h ，t h ep o w e ri s2 6 w b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c eo f a u d i op o w e ra m p l i f i e ra n dt h et d ai517 ，t h ep a p e rd e s i g na b o u te l e v e nc i r c u i tp a r t s ， i n c l u d i n gd i f f e r e n t i a li n p u ts t a g em i d d l ea m p l i f i e r , n e g a t i v ef e e d - b a c k , o v e r - c u r r e n ta n d o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n , c l a s sbp u s h - p l l l lo u t p u ts t a g ee r e t h ew h o l ec i r c u i to ft h ea u d i o p o w e ra m p l i f i e ri ss i m u l a t e di nc a d e n c e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mw o r k s v e r yw e l la n dg e th i 曲s t a b i l i t y t h el a y o u to fs y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n gt o o l so fv i r t u o s ol a y o u te d i t o ri nc a d e n c ei n c s m c1 6 u r nb i p o l a rm o d e lp r o c e s s ，b a s e d0 1 1p r i n c i p l eo fd e v i c e sm a t c h e d ，t h ep r i n c i p l eo f t h el a y o u to fw i r i n gt oc o m p l e t et h ec i r c u i tc h i pl a y o u td r a w i n g ，a n dp a s s e dt h ed e s i g nr u l e c h e c k i n g ( d r c ) ，e l e c t r i c a lr u l ec h e c k i n g ( e r c ) a n dt h ec i r c u i td i a g r a ma n dl a y o u t c o n s i s t e n c yc h e e k ( l v s ) ，v e r i f yt h el a y o u td r a w nc o r r e c t n e s s k e yw o r d s p o w e ra m p l i f i e r s ，b i p o l a rp r o c e s s ，i n p u ts t a g e ，t h el a y o u t 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。 学校可以将本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和汇编本学位论文。同时，本人保 证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北 大学。 黧嚣妻霎亍塑黝签名垂绍 学位论文作者签名：五己兰指导教师签名：1i 心确 2 0 0 9 年6 月f 日2 0 0 9 年石月7 日 西北大学学位论文独创性声明 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， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北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己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 蕾 恧。 学位论文作者签名：王1 金旌 2 0 0 9 年易月，罗日 西北大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早殖化 1 1 音频功率集成电路概况 音频功率放大电路是一种很常用的电子电路，广泛应用于家庭影院、音响系统、立 体声唱机、伺服系统、车载娱乐系统、手机、掌上电脑以及工业制造中的电机驱动等电 子系统。 六十年代以前，电子管功率放大器一直占据主导地位。高保真的功放主要有a 类和 a b 类两种，通过变压器与负载耦合，因此体积比较庞大乜。随着半导体器件的出现和 发展，功率放大电路也得到了飞速的发展，根据市场需求，功率放大器逐步向模块化， 小型化，集成化的方向发展h 1 。晶体管功率放大器出现于六七十年代，由于单芯片集成， 功率放大器的元件数、互连数和焊点数减少了，不仅系统的可靠性、稳定性得到提高， 而且系统的功耗、体积、重量和成本得到了减小了，但由于当时的功率器件主要为双极 型晶体管、g t o 等，功率器件所需的驱动电流大，驱动和保护电路比较复杂，功率放大 器的研究并未取得实质性进展h 1 。直至八十年代，具有m o s 栅控制、高输入阻抗、低驱 动功耗、容易保护等特点的新型m o s 类功率器件的出现，使得驱动电路得以简化，也因 此迅速带动了功率放大器的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了功率放大 器的应用。进入九十年代后，功率放大器的设计与工艺水平不断提高，性能价格比也随 之上升，功率放大器逐步进入了实用阶段砸1 。 在半导体器件出现之前，高品质音频功放的类别仅限于a 类和a b 类，因为当时只 有电子管这样的器件，b 类电子管音频功放产生的失真太严重，即使用于公共广播都难 以被人们接受口1 。随着半导体器件的出现和电子技术的飞速发展，晶体管音频功放的设 计也随之产生，而且设计方法不断增多。为适应各种不同的要求，人们设计出各种不同 的音频功率电路，大致可分为以下五种类型：a 类，a b 类，b 类，c 类和d 类。前四种 属于模拟音频功放，就是将模拟音频信号直接输入，被放大后推动扬声器发声。d 类也 称为数字音频放大器。下面逐一介绍五种功放。 a 类功放( 也称甲类放大) ：该类功放的静态工作点一般选在负载线的中点，在输入 信号的整个周期内任何元件都不会出现电流截止，功放处于良好的线性工作状态，几乎 没有非线性失真，但效率太低。由于不会产生开关失真和交越失真，只要偏置和动态范 围值得当，仅从失真的角度来看，a 类功放是回放音乐的理想选择嘲。但工作在a 类的 功率放大器，电源始终不断地输送功率，即使在没有信号输入的情况下，电路器件也通 第一章绪论 有静态电流，并以热量的形式耗散出去。因此a 类功率放大器的发热量非常惊人，为了 有效处理散热问题，必须增加大型散热器。a 类功率放大电路的效率相对较低，在理想 情况下最高只能达到5 0 9 6 ，因此a 类功率放大器仅用于小功率的收音机，助听器中，有 的也用于高级的h i - - f i 功放乜一1 。 b 类功放( 也称乙类放大) ：该类功放的静态工作点一般选在负载线的零点，当无信 号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。当有信号时，每对输出管各放大一半 波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大。但在两个输出晶体管轮换工作过程中 容易发生交越失真，形成非线性的输出信号。在信号非常低时失真相对严重，但该功放 在无信号输入时发热量小。b 类功放的效率比较高，平均约为7 5 。 a b 类功放( 也称甲乙类功放) ：其工作电流大小介于甲类与乙类之间，a b 类功放通 常有两个偏压，在无信号时也有少量电流流过输出晶体管。它在信号小时工作时处于a 类工作模式，获得最佳线性，当信号提升到某一电平时自动转为b 类工作模式以获得较 高的效率。a b 类功放在工作的大部分时间内处于a 类模式，只在出现音乐瞬态强音时才 转为b 类。这种设计可以获得优良的音质并提升效率减少热量，是一种颇为合乎逻辑的 设计。 a b 类和b 类推挽放大器较a 类具有效率较高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散 热问题容易解决等优点，是目前音频功率放大器的基本电路形式。此类放大器在高保真 家庭影院等对于音质要求相对较高、对效率有一定容忍度的音响系统中占有统治地位。 需要说明一点：目前部分家用音频功放生产商家为了减少小信号的失真度，通常给b 类 音频功放的功率输出管加入一定的偏置，使其恰好进入线性区，导致b 类功放的静态工 作电流和a b 类功放已没有明显的差别，从理论上讲，b 类已经渗透到a b 类领域，在很 多情况下没有严格的划分。 c 类放大器是把静态工作点设置在截止点之下，只有当正半周的输入信号足够大时， 晶体管才会导通，因此晶体管导通时间小于半个周期，效率更高。但由于失真过大，难 用于音频功放，在高频功放中被用作倍频电路，主要用于射频放大，可用于无线电台和 电视发射系统瞄1 。 d 类功放( 丁类功放) 实际上是开关型功放。d 类功率放大器由输入信号处理电路、 开关信号形成电路、大功率开关电路( 半桥式和全桥式) 和低通滤波器( l c ) 等四部分组成 u - 8 | 。d 类放大器是利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的，输出管工作在开关 2 西北大学硕士学位论文 状态。当有信号输入时，输出功率管饱和导通，其内阻几乎接近零；没有输入信号时， 输出功率管的电流为零，内阻几乎接近无穷大。这样可以使输出功率管的静态功耗大为 减少，效率大幅度提高，理想情况下可达1 0 0 。d 类功率放大器的优点是效率最高，比 a b 类、b 类要高很多，几乎不产生热量，且供电器小，因此无需大型散热器，机身体积 与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。但这种功放成本高、技术复杂、响度不及其 它模拟功放。所以真正成功的产品甚少，售价也不便宜。主要应用于便携式设备如手机 等系统中，可充分发挥其节能的特点，但音质方面目前还不能与模拟音频功放相比。 音响产品的数字化是必然趋势。数字音频功放有很多优点，例如功率大、体积小、 效率高、可与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间的传递干扰，可以实现高保真等。 在数字音源已经大量普及的时代，数字功放将会取代现有的模拟功放圆。 1 2 音频放大器要考虑的重要参数 音频功放虽由运放组成，但与普通的集成运放在几个方面有着比较大的区别：音频 功放要求有大的输出电流和大输出功率，因此静态功耗也要比运放大；同时，对输出信 号的失真度要求较高，一般t h d + 圪时，v d 。导通，输出电压u o = + 。当 u u 一圪时， v d 。，v 岛都截止，相当于开路，此时的u o = ，u o 和的波形一致。由图3 7 可以看出， 双向限幅电路限制了输入信号的正负幅度，输出电压在+ ，一之间，摆幅 为2 圪。 1 6 西北大学硕士学位论文 3 3 2 音频功放中的限幅电路 图3 - 8 限幅电路 论文中所设计的限幅电路使功率放大器的输入信号在输入端受到一定的限制，保证 即使出现输入信号过大的情况，也不会对整个电路产生影响。图3 8 是输入级的限幅电 路，之，心，心三个管子以二极管形式串联，形成基准电压3 = 2 1 y ，已，b ， 构成电流镜为基准做偏置。通过电阻曷接放大器的反相端，作为运放的反相端参考 电压。输入信号通过电容c o 、电阻是从正相端输入，f 接运放的同相端。当没有信号输 入时，f 点的电位= ，当信号电压 1 4 v 时，由于电容两端的电压不能突变， 导致 3 5 v ，此时2 ，匕。导通，放大器同相输入端的电位被箝位在3 5 y 左右；当 信号电压 - 1 4 v 时，2 ，心，。 都截止，箝位电路不工作，正相输入端的电位随输入信号的波形波动。综上所述，输入 信号在1 4 v 范围内变化时，放大器同相端的电位变化范围为2 1 y 0 7 y ，超出1 4 v 输 入信号将会失真且无法恢复。 限幅电路仿真图3 - 9 ，图3 - 1 0 ，图3 - 1 l ，图3 - 1 2 ：当输入信号为l y 的正弦波，限 幅电路的输出在3 1v 1 1y 间变化，且没有失真。当输入信号为3 y 的正弦波， 的波形失真，幅值被限制到o 7 v - - 3 5 v 之间，大于3 5 y 和小于o 7 y 的电压被削掉， 实现限幅功能。 1 7 第四章整 v l 1 u m e m 8 ) 图3 - 9 输入信号波形 v i m v | m n m e ( r n 的 图3 - 1 0 限幅电路输出端信号波形 n m e o n 搴) 图3 一l l 输入信号波形 i b n e ( m 帕 图3 - 1 2 限幅电路输出端信号波形 1 8 西北大学硕士学位论文 3 4 中间放大级的设计 3 4 1 音频功放的中间放大级电路 中间级也是音频功率放大器的关键部分，因为它既要提供几乎全部的电压增益，还 要给出整个功放的输出电压摆幅“1 。所以要求中间级要有较高的电压增益，同时为了减 少对前级的影响，还应该具有较高的输入电阻。 图3 - 1 3 中间级放大电路 上图所示的电路为本论文所采用的结构，6 ，为射极跟随器，心是电压放大管， 厶，厶为电流源，作为放大管的有源负载，最。是保护管，恐。为反馈电阻，c 2 m i l l e r 弥 勒补偿电容。 6 ，作为射极跟随器具有输入电阻高、输出电阻低的特点，可以减小后级对输入级的 负载效应。6 ，心都采用电流镜作负载，可以提高集电极等效输出阻抗，增大开环 增益，有利于中间放大级的线性化。 民是保护管，正常工作时是截止的。若输入信号电压过大，则昂导通，心的基极 电流因厶的分流而减小，从而保护了心管。引入恐。作反馈电阻可以减小心的温漂效 应，稳定心的直流静态工作点，同时还有利于心基极电荷的快速泄放h 1 。 g 是弥勒补偿电容。引入负反馈可以改善放大电路性能，反馈深度f 1 + 与声| 口1 越大， 1 9 第四章整 放大器的性能越好。但是反馈深度过深，在高频和低频情况下，彳f 将产生附加相移， 使输入信号和反馈信号间出现相位差，当i 三声l - l 及死+ 纷= ( 2 刀+ 1 ) 1 8 。，刀= o ，1 ，2 时，负反馈放大电路产生自激振荡。为了使放大器能正常i 作，必须破坏这两个条件n 们。 假设反馈网络是电阻性的，野= 0 ，所以系统的相频响应就是基本放大器的相移纯。如 下图3 1 4 所示，当缈：q 时，纯：一1 8 0 ，而2 0 l g 阻引 o d b ；或者当缈：时， 2 0 1 9 l 另引：0 d b ，i 纯i 1 8 0 。符合这两种情况时，放大电路在闭环状态下不会产生自激 振荡，可以稳定的工作。在电路设计中常用相位裕度= 1 8 0 。+ 纯( 吨) 来判断负反馈放大 器能否可靠地工作。在i 程实践中，通常4 5 。，按此要求设计的放大电路，不仅可 以在预定的工作状态下满足稳定条件，而且当环境温度、电路参数及电源电压等因素发 生变化时，也能满足稳定条件，能够正常i 作n 钔。 2 吨附 图3 - 1 4 反馈放大电路环路增益l 彳f l 的频率响应 ii 3 4 2 频率补偿 在电阻性反馈网络的情况下，负反馈放大器稳定工作时的环路增益太小不利于改善 放大电路的各方面性能，所以采用频率补偿技术来解决。通常在基本放大电路或在反馈 网络中增加一些元件以改变反馈放大器的开环增益响应，从而保证电路具有一定的相位 裕度，同时也可获得较大的环路增益。 西北大学硕士学位论文 补偿的思想是：人为地将电路各极点的间距拉开，特别是使主极点和与其相近的极 点拉开，从而可以按预定的目标改变相频响应，并有效地增加环路增益。往往通过在基 本放大器的内部或外部增加一个补偿极点来实现n 即。 基本放大电路的闭环传递函数为4 “d 2 百_ 露了再可4 , o 军砀 ( 3 - 式中a 图3 1 6 降低主极点前后放大器的幅频和相频特性对比 采用上述方法时，必须使用大电容，但在集成电路里太大的电容是不容易实现的。 基于弥勒效应，使用小电容就可以实现频率补偿，这就是弥勒补偿。 c c 图3 1 7 两级运放的弥勒补偿 在本文中第一级为差动输入级，呈现高输出阻抗，第二级提供适当的增益，满足电 容弥勒补偿乘积所需的条件“1 。如图3 1 7 所示，电容的连接目的是在e 点建立一个大电 容，其值为c 0 = ( 1 + 4 ：) c c 。加入该电容以后，原来的第一个极点将移到 r 。- 盯1 。【q + ( 1 + 4 ：) c c 】一( x - e eq 代表加入q 之前结点e 的电容) ，从而可以用一个中等 的电容值建立一个低频极点，节省了芯片面积。 中间放大级引入c 0 ，则把c 0 等效到中间放大级的输入端： o = ( 1 + 4 2 ) c c ( 3 9 ) 第一极点的频率为- = 荔i 瓦瓦了i j li 瓦而 3 - l o ) 1 若不接补偿电容c 0 ，则第一极点频率为，= 2 a x ( r o , r , = ) xc e ( 3 1 1 ) g 口c 0 ，所以。口。，可见引入弥勒电容以后，第一极点的频率降低，负反馈放大 器的稳定性大大提高了。 西北大学硕士学位论文 3 5 输出级的设计 音频功率放大器功率输出级电路主要实现功率驱动。功率放大器的输入级和中间级 都工作在小信号状态，它们的主要功能是提供足够高的增益，用以驱动输出级工作。而 输出级一般工作在大信号状态，它的任务是以最小的失真向负载提供足够大的功率n 羽。 在功率放大器中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压比较高且电流比较大，所 以要增加热保护，过压过流保护电路，以保证管子正常工作。 输出级工作类别有五种，即a 类，a b 类，b 类，c 类和d 类。从效率、大信号失真 及其它失真等方面综合考虑，b 类的性能要优于其他类别，因此b 类得到了更为广泛的 应用。 采用b 类输出级，将会直接产生交越失真，大信号失真和关断失真。 大信号失真，基本上是由所用放大管的非线性特性大电流摆动引起的，采用负反馈 的方法可有效削弱大信号失真。 交越失真，是由输出特性的非共轭性引起的，基本不依赖于频率n 钔。 关断失真，是由于高频时输出管未能迅速而彻底地关断造成的，具有非常强的频率 依赖性。关断失真实质上是电荷存储、泄放方面的失真问题，如果能够实现以下两个方 面的要求，就可以明显减小高频失真。第一，输出级若能使输出器件的b - e 结反向偏置， 则载流子吸出速度最大，可使输出器件迅速截止；第二，驱动级的电阻越小，排除已储 存电荷的速度就越快。 本芯片采用输出级的基本结构为b 类准互补输出级。 3 5 1 基本的b 类准互补输出级 + v c c 图3 - 1 8 基本b 类准互补输出级 图3 1 8 中q 作为共射极驱动级，驱动输出管鲮，g 。在静态时，= 0 ，巧= 0 ，q ，q 第四章整 的基极电流都为0 ，因而截止，k 所能取得的极值由驱动级决定。在q 3 饱和之前k 越正 巧就越低，当q 3 达到饱和时便达到最大负值，g o 一= 一+ ，一：。当k 的值介于 ( 一+ ，) 和( 一：) 之间时，q 和q 处于正向放大区，而且由于q 2 作为射极跟 随器，将跟随k 的变化而变化：如果k 为负，q 中的电流会减小，k 会增加，使g 导 通。在9 3 截止之前，将跟随k 的变化而变化。q 3 截止后，q 会通过墨获得偏置而达 到正的最大值。这样在形的整个电压变化范围内，输出管不会同时处于截止区，提高了 效率且比较有效地消除了交越失真。 3 5 2 复合管b 类准互补输出级 当给负载的输出功率在几百毫瓦的数量级时，可以采用基本的b 类准互补输出级结 构，但如果需要几瓦以上的输出功率时，由于输出级中所用的衬底p n p 管的电流容量小， 所以这种电路无法使用。在电路中n p n 和p n p 对器件的掺杂要求是矛盾的，即n p n 器件 的发射极、基极、集电极的掺杂水准对p n p 而言不是最佳的，因此导致上述结果。口1 解 决晶体管功率处理能力受限问题的方法之一就是用复合管代替单个晶体管，复合管的替 代方案如下图3 1 9 ( a ) 和( b ) ： 2 ( a ) 等效p 管 ( b ) 等效删p 管 图3 - 1 9 复合管的等效图 2 4 c 西北大学硕士学位论文 一v 二志一 1 ( b )采用复合管的b 类互补推挽式输出级 ( b ) 等效后的b 类互补推挽式输出级 图3 - 2 0 采用复合管的互补对称b 类推挽功率放大器等效图 利用这种复合管组成的互补对称b 类推挽式功率放大器的电路结构如图3 2 0 ( b ) ，这 种功率放大器的输出晶体管变成了同类型器件，为选择配对功率管提供了方便u 引。 ： 3 5 3 单电源供电的b 类准互补输出级 本论文所设计的电路是单电源供电的，其结构如图3 - 2 1 所示，是图3 - 2 0 ( b ) 电路 的改进结构。 + v 图3 - 2 1 单电源互补对称b 类推挽功率输出级 采用单电源供电，在输入零信号时，由于两管的特性完全对称，静态电压为 0 5 n 们。当输入信号在正半周的情况下，q 管导通，输出信号跟随输入信号的变化而 变化。但当输入信号在负半周时，g 管截止，q 2 管的供电电源消失，无法为q 2 建立静 态工作点，整个电路不能正常工作。所以在输出端和负载之间增加了电容c ，当信号 在正半周时，q 经_ g _ 巴一吃一地进行充电；当信号在负半周时，q 上的电 压就会作为q 管的直流电源，保证整个电路在信号的正负半周都能正常工作。 第四章整 图3 - 2 2 图3 - 2 2 所示为本文采用的输出级结构， c l r l 输出级详图 9 5 ，构成一个7 7 ：p 复合管，p 9 0 ，n 1 0 0 构成一个删p 复合管，输出管均由十几个p 、删p 管并联而成，可以为负载提供足 够的驱动电流，同时还有利于减小大信号失真。8 。，舯，也，昂给输出级提供了一个直 流偏置，使得每一个输出管在形= 0 时都存在一个很小的静态电流。连成二极管形式的 8 。，舳，由。而获得偏置，这样可以从根本上消除交越失真，使得输出对管工作于b 类状态。输出级尸：尸复合管由横向p n p 型射极跟随器弓，驱动，而与，由共射极8 ：驱动， 的偏置电流通过电流源厶，获得。 电路的工作过程：输入信号由e 点输入，当信号从静态值向负向增加时，由于m ，反 向放大，另，的基极电压上升，k 点电压、叮都跟随上升，& 截止，此时电流由 1 6 经 ，流向负载，向c 充电；当信号从静态值向正向增加，由于8 ：反向放大，k 点 的电压会负向增加，k 点电压、都跟随变化，已充电的电容q 起着电源作用，从 负载心流向岛、i v , 。负载电流使的b e 结电压有所升高，由于8 ，r ，压降 为一定值，约为3 ，所以9 ，截止，几乎没有电流通过，因此不消耗静态功率， 从而有效地提高了效率。 此外，必须关注输出极值的问题。在理想状态下，希望输出管能够在接近饱和的状 态下工作：当输入信号达到负向最大时，9 ，导通至饱和，v o u t + = 一； 西北大学硕士学位论文 当输入信号达到正向最大时，p 9 0 ，n 1 0 0 导通至饱和，v o u t 一= 0 。但是由于存在 驱动级，输出极值要受到影响，。由三极管提供。当输入信号负向增加时，。为9 ， 提供基极电流，当提供。的三极管达到饱和时，输出电压达到正向最大， v o u t + = + 一9 ，一1 0 0 ，最大输出电压受到。的限制；当输入信号正向增加时， 五，为电流源负载，饱和时，输出电压达到负向最大，v o u t = 救一，一知。可 以看到，由于存在驱动级，输出极值都有所减小，但是增加驱动级可以改善输出级的交 越失真，所以在设计中可根据实际需要折中考虑。 3 6 过温保护的设计 图3 - 2 3 过温保护电路 过温保护电路一般利用二极管、三极管的温度特性作传感器h 1 们。如图3 - 2 3 所示， 电路的核心是n ，n 9 6 ，r 2 7 ，r 2 8 ，利用齐纳二极管的正温度系数和三极管b e 结的负温度 系数，将温度的变化转换为电压差，实现温度到电压的转换。其工作原理如下： 电路正常工作时，心，7 。，3 ，都是截止的，提供的电流经马，r 。到地，氓 的= 等等，。点电位为圪= ( 一) i r 瓦2 s 。齐纳二极管：有正温度系数 簪：+ 2 所y 。c ，氓的砸结具有负温度系数是筝= 一1 5 坍y 。c ，当温度升高丁时则 2 7 第四章整 有： 钳蝇= 坠等型= 型铲铷 蝇2 丽3 5 a t 易= 屿= 叱= 丽3 5 a t ( 3 1 3 ) v o = 3 5 a t 虿( 瓦2 8 ( 3 1 4 ) 七，七，：叠加，通过，点接，9 。的基极；七，。，七。，叠加，通过k 点接，m 的基极。 当温度达到设定的热关断温度点时，d 点的电位上升到使心，7 ：，7 。，8 ，导通，毛，七铊 增大，七，。，七。，增大，分流了9 ，岛，m 基极的电流以致输出管关断，于是静态 电流减少，功耗降低，芯片的温度也随之下降，保护芯片不被烧坏。同时，也下降， 直至心，7 ：7 。，8 ，都截止，9 ，l 的基极电流开始从零增加，直至达到稳 态，芯片开始正常工作。 t e m p ( c ) 图3 - 2 4 过温保护电路的仿真图 对的v 。电位从- 5 0 2 0 0 进行扫描，由仿真图可以看到在整个温度变化范围内 随这温度线性变化，在- 5 0 1 ：3 0 范围内，v 0 低于0 7 v ，过温保护电路截止，当温 度超过1 3 0 后，过温保护电路逐步开启，到1 5 0 时，v o 达到0 8 v ，过温保护电路彻 底导通，分流输出管的基极电流到输出管关断，于是静态电流减少，功耗降低，芯片的 温度也随之降低，v o 也随之降低，到1 3 0 以下，v 0 低于0 7 v ，过温保护电路关断， 西北大学硕士学位论文 输出管正常工作。 3 7 限流限压保护电路 图3 - 2 5 为本论文中采用的限流限压电路。 图3 - 2 5 限漉限压电路 3 7 1 限流电路基本原理 音频功放的电源电压由外部的供电电源网络决定，所以难免被干扰而出现电源电压 波动，从而导致输出管上电流的波动；当负载阻抗发生变化导致功放过载，特别是输出 发生交、直流短路时，使得流过输出管的电流突然增大，所以必须通过电路内部设置特 殊模块限流保护电路，将流过输出管的电流限制到安全范围内。当有电源电压过高、 电流过大以及耗散功率过大等类似情况出现时，内部限流保护电路就会启动，降低输出 功率管的电流，从而保护输出管不被烧坏口一3 h 钔。 限流电路的基本工作原理是通过检测电阻r 解检测功率晶体管的输出电流，当输出 电流超过限制电流时，开启限流电路。基本的限流电路分为两种，阻断型保护电路和减 流型保护电路n 羽，其结构如图3 - 2 6 所示。 第四章整 + ( a )阻断型保护电路( b )减流型保护电路 图3 - 2 6 简单限流电路 图3 2 6 ( a ) 为阻断型保护电路。瓦为功率管，五为保护管，为检测电阻。在正 常工作时，互保持截止。当过载或输出短路时，厶就会迅速增大，检测电阻上的压 降也会迅速增大，互导通，死管的基极电流被分流，使输出电流被控制在 易脚挚，从而达到保护瓦的目的。 1 k 图3 - 2 6 ( b ) 为减流型保护电路，当电路出现短路故障时，不仅可以控制厶不超过最 大输出电流，还可以降低此时功率管的静态功耗。图中石，正管组成了一个电流检测闭锁 开关。正常工作时闭锁开关电路是截止状态；当易：时，互管导通，五管也 随之导通，同时五管集电极的电流又驱动正的基极，形成正反馈电路，使得互，乙完全导 通。此时的输出电流为易：旦些掣，与阻断型电路相比，其输出电流明显减小。 贸 所以当电路出现过流状况时，该电路不仅可以控制输出电流不超过最大值，还可减少功 率管的耗散功率。 3 7 2 音频功放中的限流电路 本文所采用的限流电路如图3 2 5 所示， 只，只。，7 ，恐。，毛，民，口以及 ，岛，9 。，如，心，马，占构成减流型保护电路，这两部分的结构是完全对称的。正半周信 号通过只，只。限流，负半周信号通过只，岛限流。正常工作时，只，只。，7 ，均截止。当 流过输出管的电流过大时，取样电阻民 ( 见输出级图3 - 2 2 ) 上的压降也增大，使7 ， 导通，只。也随之导通。同时只。管集电极的电流驱动7 ，的基极，使7 ，只。全导通， 分流了输入管基极的电流，保护了输出管，且输出电流较小，静态功耗也比较小。当负 半周信号通过时，若流过输出管的电流太大，取样电阻马，口的压降会增大到使9 导通， 西北大学硕士学位论文 & 也随之导通，同时匕的集电极电流驱动9 。的基极，使，9 。全导通，分流了输入 管的基极电流，使输出管得到保护。 5 d 4 d 一 3 0 。2 d 1 a a d 。l 。 t l m e g ) 图3 - 2 7 限流电路的仿真图 图3 - 2 7 是对厶进行瞬态分析的结果。当电路突然出现短路或输出电流迅速增加时， 过流电路启动，在将近2 5 0 u s 内将输出电流降低并控制到2 5 a ，从而保护了输出管，达 到所设定的性能。 应该注意取样电阻的折中：若取样电阻太小，反应不灵敏；若太大又会产生很大的 静态功耗，并使输出幅度减小，而且输出阻抗也会增加，驱动能力变小。所以将输出电 阻分成两部分，即图3 2 2 中的民泖r ，_ ，其中心，丑是输出电阻，同时也是采样电阻。 这样在不增加输出阻抗的前提下，也解决了采样电阻的问题。 3 7 2 限压电路 音频功放的负载大多是动感式扬声器，动感式扬声器会在某一频段内呈现出感性阻 抗的特征，当功放迅速改变流入感性阻抗的电流时，感性阻抗会产生大的反向电动势强 迫功放输出电压峰值可能会超过电源电压，这样会导致损坏输出晶体管，甚至整个芯片， 所以有必要在音频功放内部设置限压保护电路来预防输出管被损坏“列。 图3 2 5 中的如，0 2 ，0 3 ，b 。，d 4 ，d 5 ，“，墨，构成了本文设计的限压电路，限 压电路也为上下对称结构，驱动感性负载，若输出端电压高于，则d 2 ，d 3 导通， 如，砬，马，r ，形成正电荷泄放通路，避免输出管的损坏，若输出电压低于0 矿，0 4 ，岛 导通，b 。，日，皿，7 4 ，置，形成负电荷泄放通路，避免输出管的损坏。 3 l 第四章整 3 8 功率放大器的待机和静音设计 图3 - 2 8 静音待机控制电路 3 8 1 静音待机控制电路 静音待机控制电路如图3 2 8 所示，该部分电路有以下三个工作状态：待机；静音； 启动。各个工作状态之间的切换主要由m i s s ( 删t e s t a n d b y ) 端来控制。 表3 - 1 静音待机功能状态表 m | s s 状态 0 3 3 y待机 3 3 y 8 4 y静音 8 4 v 1 5y 启动 如表3 - 1 所示，当m s b 的电压等于3 y 时，由m s b ，如，7 s 。，4 8 ，如，7 7 l ，r 6 8 到地构成一个通路，如上的分压使马，导通，之后r ，上的分压使昱。导通， ( 昱。) = 厶( 忉，n 会迅速饱和导通。当晶体管处于饱和导通状态，厶对l 的控制作用 减弱，此时的比较小。一般硅管的饱和压降为0 3 v 0 5 v ，则匕= 一，所以 匕- 0 5 v ，为后级电路提供电源和建立略= 专呢吉。 3 2 西北大学硕士学位论文 ( 1 ) 当m i s b 的电压小于3 3 y 时，m i s b ，如，7 8 l ，4 3 ，叱，7 7 l ，氏这条通路没有导 通，、都截止，匕= 0 且圪= o ，此时系统处于待机状态； ( 2 ) 当m i s b 的电压大于3 3y 且小于8 4y 时， 匕= 一o 5 y ，号，如的 = + ( 最，) 2 8 v ，罡，的= ( 7 ，。) + 酯，在 2 1 y 的情况下，b ，导 通，随之m ，导通，l ，l 。构成电流镜，静音电路开启。图中的g 点接输入级的 偏置，由于m 。的导通使g 点电位拉底，无法为输入级提供偏置，系统处于静音 状态。 ( 3 ) 当m i s b 的电压大于8 4 矿时，昱5 的所得分压大于2 1y ，昱5 截止，l ，截止， 静音电路关闭，g 点电位抬高，为输入级提供偏置，放大级正常工作，系统处于 正常工作状态。 综上所述，由m i s b 端口输入三个不同的电压，静音待机电路可进行待机、静音、 启动三种功能的切换，从而控制输入级的偏置电路的通断，进而实现整个系统的静音 待机功能。 名 图( a ) y 丘m s b 输入电压的变化曲线 d v s f u u f l 33 v 8 4 v 2 55 口7 51 0 o1 2 51 置o d c m 图( b ) y 匿m s b 输入电压的变化曲线 图3 - 2 9 静音和待机电路仿真波形 3 3 第四章整 使m s b 的输入电压在o 一1 5 v 范围内变化，对略和进行扫描，图3 - 2 9 ( a ) 为略随 m s b 输入电压的变化曲线，可以看出，当输入电压在0 3 y 范围内时，略电位很低， 内部基准没有建立，电路处于待机状态；当输入电压升高到3 3 1 4 v 时，攻跳变到6 8 v ， 内部基准建立，图3 2 9 ( b ) 为随m s b 输入电压的变化曲线，o 3 v 内部基准没有建 立，几乎接近零点位，3 3 v 8 4 y 范围内时，r o 的电位稍有提高，静音电路开启，输 入级的偏置电路关闭。当输入电压升高到8 4 y 时，v g 的电位突然跳高到4 5 y ，静音电 路关闭，输入级偏置打开，整体电路开启，正常工作。 声音质量是用户接1 ：3 的重要因素之一。音频放大器的作用是对输入信号放大，同 时抑制噪声。在放大器中，一个主要噪声源是电源线路本身。s v r r 是用来描述输出 信号受电源影响程度的量，s v r r 越大，输出信号受到电源的影响就越小。在电路设 计中，通常通过s v r r 端口切入来分析放大器放大输入信号、抑制电源线引入噪声的 性能。本电路中s v r r 检测端接，因为略、圪分别是后级基准电路的总电压和比较 器电路的参考电压，对电压源的噪声要求较高，所以在此检测s v r r 。 3 8 2 缓冲电路及噪声抑制电路 图3 2 8 还包括了缓冲级电路和抑制“p o p ”噪声电路，由5 ：，5 。，4 ，最，4 ：c 4 构 成，厶，厶，五。，五。，：，五，k 是为各部分电路提供偏置的。 ( 1 ) 缓冲级电路的主要部分是由5 ：，5 。，4 ，组成的差动跟随电路，输出信号由h 点输 入，坎为反馈电路的基准电压n 刁。缓冲级起了阻抗变换的作用，它具有大的输入阻抗， 小的输出阻抗，从而消除了k 的产生电路与反馈电路的相互影响。当m u t e 端输入电压 大于3 y 时，基准电压建立，圪一0 5 y ，经心3 ，尼。两个相同阻值的电阻分压，得 到参考电压珞专， ( 2 ) 抑制“p o p 噪声电路由图3 2 8 中的e 3 ，4 2 和q 组成。该电路在系统正常工作时 是截止的，当整个电路上电和断电时启动。当系统开始供电，建立，其余电路都正 常工作，参考电压也建立。但由于c 4 的存在，充电过程中当巳的 时，匕导通， 开启静音电路，无输出功率，从而抑制了上电时的搿p o p 噪声。断电时，又组成了放 电回路。当系统断电时，c 4 要进行放电，吃，4 2 导通，迅速泄放掉c 4 中的电荷，使参 考电压迅速恢复初始零状态，防止再次上电时的噪声n 2 1 。 西北大学硕士学位论文 3 9 基准电流源电路 3 9 1 基准电流源的基本原理 在模拟集成电路中，广泛地使用镜像电流源作有源负载和恒流偏置。在偏置电路中， 使用镜像电流源能使电路在温度和电源电压变化时保持良好的稳定性。镜像电流源在截 止区所提供的偏置电流要比一般的电阻更精确，尤其在所需的电流非常小的时候。当电 阻放大器使用镜像电流源作为有源负载时，电流的高增量电阻使得在低压时也可获得很 大的电压增益n 耵。 最基本的电流镜如下： 图3 3 0 基本电流镜 在理想状态下2 = 。，忽略p n 结的漏电流，则 v b 9 2 - i n 每8 2 = 讪每8 1 ( 3 - 1 5 ) jj 其中b 。和b 2 是晶体管的饱和电流，由式( 3 1 5 ) 可得 乇2 = 等七l ( 3 1 6 ) s 2 如果晶体管是相同的，则有：= 。，得到易凹= 七：= i c 。k ( 3 1 7 ) 在理想情况下，若晶体管q 2 ，q 1 的发射极面积成比例，那么输出电流就是输入电流 的倍数，所以根据需要，合理设置镜像晶体管的发射极比就可以得到合适的电流。但在 实际中所获