（微电子学与固体电子学专业论文）一款车载音频功放芯片的设计与实现.pdf

摘要 摘要 本文针对车载多媒体娱乐系统的音响驱动而设计了一种新型的音频功率放大 器芯片，目的是为了设计出一种失真度小，输出功率大，效率高的四通道音频功 放芯片。该芯片最大输出功率可高达4 2 w ，采用了a b 类互补推挽输出结构，内部 有m i l l e r 补偿，可保证闭环稳定性。 该款音频功率放大器芯片内部还设有温度保护电路，过流保护电路，过压保 护电路，对芯片实施了三重保护措施，在输出大功率的时候可保证芯片不被烧坏。 此外，本电路还有静音旁路，能够很好的抑制上电过程中常出现的p o p 声。该电 路设计采用了经典的电路结构，保证了大功率输出时的低失真度，同时具有1 1 5 d b 的开环增益，4 a 的输出电流容量等性能指标。 该芯片具有偏置电路，输入级，输出级和保护电路四大主要模块以及共模放大 器( c m a ) 和电容( i c m ) 等辅助模块。依据芯片电学特性的要求，对各个模块电路结 构进行了分析研究。基于b c d 公司的2 朋3 6 vb i p 0 1 a r 高压工艺，结合b i p o l a r 的工艺特点和要求，应用c a d e n c e 软件，对各模块和整体电路进行了模拟仿真， 其中失调电压为0 5 3 8 m v 、相位裕度为5 0 。、谐波失真为0 5 、电压抑制比为 一7 0 d b 、效率为5 8 1 。以上结果表明该芯片满足设计要求。 关键词：音频功率放大器c ia s s a b 输出级过温保护限流保护失真 a b s t r a c t a b s t r a c t an e w - t y p eo ff o u r f o l da u d i op o w e r 锄p l i f i e rh a l sb e e nd e s i g n e df o rm ec a u r e l e c 缸d nm u l t i m e d i as y s t e mi nt i l i sp 印e r ，a 1 1 di th a sb e e nd e s i g n e da sa i la u d i op o w e r 锄p l i f i e rw i t l lm ef e a t u r e so fl l i g hp o w e r 锄d1 1 i 曲e m c i e n c y t m sc h i pc a ns u p p l y 4 2 wp o w e r ，w l l i c hh a sc l a s s a bo u t p u ts t a g e ，a 1 1 dw i mm i l l e rc o n l p e n s a t i o n 硫e m a l t og u a r a i l t e em es t a b i l i t yo fc l o s el o o p 删sa u d i op o w e r 锄p l i f i e rh a si i l t e m a lc u r r e n t1 i m i t 、l e m a ls h u t d o w na i l d o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t w h e ni ti sd e l i v 舒n g1 1 i 曲o u 印u tp o w e r t ot h e1 0 a do r d r i v i l l gn o n l i n e a rr e a c t i v el o a d s ，t h ed e g r a d a t i o no fm eo u t p u tt r a n s i s t o ro rc a t a s 仰p 1 1 i c f a i l u r eo ft h e ，h 0 1 ec i r c u i tm a yh 印p e nw i t h o u tt h o s ei n t 锄a lp r o t e c t i o nc i r c u i t s i n a d d i t i o n ，t h ep r o p e rm u t eb y p a s s i n gi sc r i t i c a lf o rp o p n o i s ep e r f o m l a n c eo np o w e r t h ed e s i g nt a k e sa d v a n t a g eo fa d v a n c e dc i r c u i tt e c q u e sa n dp r o c e s st e c h n 0 1 0 9 yt 0 a c m e v ee x 仃e m e l y1 0 wd i s t o r t i o nl e v e l se v e na tm 曲o u t p u tp o w e r t h ec l l i pa l s oh a s t h ef 0 1 1 0 w i n gf i e 舭e s ：o p e n1 0 叩g 血o f1 15 d b ，c u 玎肌tc 印a b 订i t yo f4 a ，a n ds oo n t h e c l l i pi sm a d eu po ft h eb i a sc i r c u i t s ，i n p u ts t a g e ，o u 单u ts t a g e ，p r o t e c tc i r c u i t ， c o 删：n o n m o d ea l p l i 丘e r ( c m a ) a i l dc 印a c i t a n c e ( i c m ) m o d u l e a c c o r d i i l gt 0t h e e l e c t r i c i t yc h a r a c t 舐s t i c so ft h ec k p ，c 毗u i ts t m c t u r eo fe a c hm o d u l ei sa i l a l y z e d b a s e do n 廿l e2 乒删3 6 vb i p 0 1 a rh i 曲t e c l l l l 0 1 0 9 yo ft h eb c dc o n l p a l l ya n dc o m b i i l i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n to fb i p 0 1 a rc a d e n c e ，e a c hm o d u l ea 1 1 dw h 0 1 ec i r c u i t a r es i m u l a t e db yc a n d e n c e ，m er e s u l ti st h a to f - f s e tv o l t a g ei so 5 3 8m v ，p h a s em a r g i n i s5 0o ，h a 彻0 1 1 i cd i s t o n i o ni so 5 ，v 0 1 t a g ep o w e rs o u r c er 白e c t i o nr a t i oi s 一7 0 d ba 1 1 d t h ee m c i e n c yi s5 8 1 t h er e s u l t ss h o wt h a tm ec h i pm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a u d i op o w e ra m p l i f i e r c l a s s a bo u t p u ts t a g e t h e r m a lp r o t e c t i o nc u r r e n tl i m i td i s t o r t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：洼查魈 日期妒7 ，厶二7 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。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署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：沙鸯) 3 f 4 乌 导师签名： 日期加7 2 、z7 日期上灶 第一章绪论 第一章绪论 集成电路是相对于分立电路而言的，就是把整个电路的各个分立元件以及相 互之间的连线集成在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体，与由晶体管 等分立元件组成的电路比较，它体积更小，重量更轻，功耗更低，并且价格也比 较便宜。所以集成电路的问世，是电子技术的一个新的飞跃，进入了微电子学时 代，从而促进了各个科学领域先进技术的发展。 随着电子技术的进步及汽车市场的发展，人们希望汽车不仅仅是一种代步工 具，车载多媒体系统已成为汽车发展的趋势。由于人们对汽车节能、安全、舒适、 便捷和豪华的追求，对汽车的性能也提出了更高的要求。而汽车音频娱乐系统、 车载通信系统是汽车电子的重要组成部分。近年来，微电子技术的飞速发展，特 别是微型计算机技术的巨大进步，将电子技术和传统的机械相结合，使得汽车的 环保、节能、安全、舒适、便捷和智能化等方面的问题均能得到很好的解决。目 前，电子技术的应用几乎已经深入到汽车的所有系统，其中车载汽车电子音频系 统尤为突出。 1 1 国内外现状与发展趋势 功率放大器是一种能给出相对来说较大电流或电压的放大器，广泛的应用于 音频系统“。，音频功率放大器在生活中有着广泛的应用，而且越来越重要，它 提高了我们的生活质量，已经变得与我们的生活息息相关。目前，音频功率放大 器仍以模拟功放为主流产品。模拟音频功率放大器经历了数十年的不断改进和完 善，其技术已发展到了顶峰，其发展已经有5 0 余年的历史了”。 早在6 0 年代以前，出现的真空管功率放大器一直占据着主导地位，其工作方 式分别采用a 类( 甲类) 或a b 类( 甲乙类) ，并由变压器与负载进行耦合。这一趋势， 随着半导体技术的发展，其性价比将达到个非常合理且可以被广大消费者接受 的程度。 随后，使用锗器件的设计首先出现，但是由于锗管在高温时容易损坏而严重 地受到限制，热逃逸这个词就是从这里产生的。之后硅材料的n p n 型半导体三极 管出现，在一段长时期内，绝大多数功率放大器采用了此类管用于功率放大级的 推挽工作中，但是仍然要依赖于输入和输出的变压器进行耦合。显然，这些变压 器往往是笨重而价高的，线性不佳的，再加上其低频和高频相移，严重地限制了 可安全使用的负反馈量，从而限制了其应用。 后来，人们逐渐发现在功率晶体管和扬声器之间的阻抗匹配上，无需再采用 一款车载音频功放芯片的设计与实现 变压器了。于是出现了无变压器的l i n 氏电路组合，从而构成了准互补输出级。 因为当时已有相当不错的p n p 晶体管在市场上出现，而功率输出器件采用n p n 型 管可做成推挽式电路。 随着现代微电子技术的不断发展，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。 特别是半导体技术的不断进步，使功率放大电路向模块化、小型化、集成化的方 向发展。 功率放大器通常根据其工作状态可分为五类，即a 类、a b 类、b 类、c 类和d 类。在音频功放领城中，前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将 此信号用以推动扬声器发声。d 类放大器比较特殊，它只有两种状态，不是通就 是断。因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要把信号经过某种调制变换 后再进行放大。人们把此种具有“开关”方式的放大器，称为“数字放大器 。 低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。d 类功率放大器 工作于开关状态，理论效率可达1 0 0 ，实际的运用也可高达8 0 以上。功率器件 的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易 达到数百瓦。功率m o s 具有自我保护电路，而且不会引入非线性失真。近几年来， 国外公司对d 类功率放大器进行了研究和开发，提出了一些方案，但是尚存在一 些难度，由于采用p 1 】| m 调制方式，为了提高音质，降低失真，必须提高调制频率， 但是在较高频率下，会产生一定的问题，同时，d 类功率放大器对器件的要求较 高，不利于降低成本一。 模拟功率放大器通过采用优质的元件，复杂的补偿电路，深度的负反馈，使 失真变得很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。而且传统的音频功放工 作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较 大，这都可以通过采用推挽输出结构来减小功率器件的承受功率，但在较大功率 情况下，仍需设计复杂的补偿电路和过流、过压、过热等保护电路来保证芯片的 正常工作，面积较大。 虽然模拟功放始终无法解决效率、成本、非线性失真这三者之间的矛盾，但 今天的功放和音箱仍然是模拟统治的天下。原因是数字功放( d 类功放) 在价格上 偏高，远远超过了普遍大众的接受能力。因此，从世界水平来看，现有的功放仍 停留在模拟放大的水平上，而数字功放技术尚未大规模商业应用。 音响产品的数字化是必然趋势。由于数字功放有很多优点，如体积小、功率 大、效率高、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰、实现高保真 等。在数字音源己经大量普及的时代，数字功放将会取代现有的模拟功放。 第一章绪论 1 2 课题的目的和意义 由于音频功放芯片在生活中应用较为广泛，所以性能优良的音频功放芯片将 有良好的市场前景。功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之间存在着矛 盾。设计大功率音频功率放大器，必定会遇到以下几个方面的问题“。： ( 1 ) 效率要高。由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率大，这就存在一 个效率问题。所谓效率问题就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率 的比值。这个比值越大，意味着效率越高。 ( 2 ) 非线性失真要小。功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会 产生非线性失真。而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就 使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。 ( 3 ) 晶体管散热问题。在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集 电结上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大 的功率，放大器件的散热就成为一个重要问题。 ( 4 ) 要求输出功率尽可能大。为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和 电流都有足够的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。 ( 5 ) 功率管保护问题。由于输出功率大，输出功率管承受的电压高，流过的 电流大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以输出功率管的损坏与保护问题也 不容忽视。 本文设计了一个4 4 2 w 的车载汽车电子的音频功率放大器芯片，通过采用 一些经典的桥式电路结构，在输出功率、效率和非线性之间获得折衷，以获得失 真度小、开环增益高、电流容量大、转换速率快、输出电压摆幅大的性能指标。 1 3 论文的组织结构 本论文详细阐述了该音频功放各模块的结构和工作原理，重点在减小功放的 非线性失真、输出功率管的保护以及过载、限流、过温等安全保护措施方面，本 论文共分六章： 第一章是绪论，主要阐述音频功放的现状及本课题的意义。 第二章阐述了音频功放的主要电学特性、工作类别及各自的优缺点。 第三章基于对芯片电学特性的分析研究，设计出了该芯片电路的系统框图， 在此基础上，设计出满足性能要求的整体电路结构 第四章对整体电路系统进行了模拟仿真。 第五章是工艺选取与版图设计。阐述了版图设计时，尤其是设计输出功率管 4 一款车载音频功放芯片的设计与实现 时应注意的事项。最后给出了芯片的整体版图布局。 第六章对本文开展的工作做出总结。 第二章音频功率放大器的电学特性 6 第二章音频功率放大器的电学特性 在多级放大电路中，输出的信号往往都是送到负载，去驱动一定的装置。例 如，这些装置有收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视 机的扫描偏转线圈等。多级放大电路除了应有电压放大级外，还要求有一个能输 出一定信号功率的输出级。这类主要用于向负载提供功率的放大电路常被称为功 率放大电路。 一般放大电路主要用于放大信号的电压或电流，而功率放大电路则主要实现 信号的放大，以便送到执行机构中去完成某种任务，如使扬声器发声、继电器动 作或仪表指示等。 音频功率放大器是一种十分常用的电子电路，广泛应用于家庭影院、音响系 统、立体声唱机、伺服放大器、乐器系统、车载娱乐系统、手机、掌上电脑以及 工业制造中的机械系统、电机驱动等电子系统。 2 1 音频功率放大器的分类 长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于a 类( 甲类) 和a b 类( 甲乙 类) 。其原因在于过去只有电子管这样的器件，b 类( 乙类) 电子管放大器产生的失 真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真放大器 均工作于推挽式的a 类( 甲类) 。 随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。就放大器 的类别而言，已不限于a 类( 甲类) 和a b 类( 甲乙类) ，而出现了更多类别的放大器。 就目前来说用于音频功率放大器的工作类别，a 类( 甲类) 、a b 类( 甲乙类) 和b 类( 乙 类) 这三类放大器仍覆盖着半导体放大器的绝大多数。 2 1 1a 类放大器 a 类( 甲类) 放大器，是指电流在整个周期内连续地流过所有输出器件的一种放 大器。 a 类放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制 得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。 a 类放大的典型工作状态如图2 1 所示。右边为晶体管输入特性，固定偏置所 形成的直流工作点在q 点，此时f 0 。 一款车载音频功放芯片的设计与实现 图2 。la 类放大器典型工作状态图 在a 类放大电路中，电源始终不断地输送功率，在没有交流信号输入时，这 些功率全部消耗在管子( 和电阻) 上，其损耗为，m ，并转换为热量的形式耗散 出去。当有正弦音频信号输入时，且其幅度未超出放大器的线性范围，输出功率 管集电极工作状态处于截止区和饱和区之间，集电极电流为完整的全周导通的正 弦波，其导通时间是1 0 0 ，这种状态失真度较小，只受器件特性曲线的影响，若 器件线性好则失真小。但是，总功率中只有一部分转化为有用的输出功率，输入 信号越大，输送给负载的功率愈多，即使在理想情况下，a 类放大电路的效率最高 也只能达到5 0 ，所以这种a 类功率放大器仅用于很小功率的收音机、助听器中， 也有用于高级的h i - f i 功放中“1 。a 类放大器电路结构如图2 2 所示。 v e e 图2 2a 类放大器电路结构图 2 1 2b 类放大器 b 类( 乙类) 放大器，是指器件导通时间为5 0 的一种工作类别。 第二章音频功率放大器的电学特性 从a 类放大器可以看出，静态电流是造成管耗的主要因素，也是a 类放大器 效率低的原因。b 类放大的典型工作状态如图2 3 所示。 图2 3b 类放大器典型工作状态图 b 类放大器是把静态工作点偏置为q 点，处于截止点上，此时0 = o ，使信号 等于零时电源输出的功率也等于零( 或很小) ，有信号增大时电源供给的功率也随 之增大，这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变，效率超过5 0 ，理 想情况下可达7 8 5 ，也就改变了a 类放大时效率低的状况。 但是当有信号输入时，输出功率管只有半周导通，集电极输出半个正弦波， 这种状态的失真度就很大了，所以一般b 类放大器都用双管做成推挽式结构，每 管工作半周构成完整的正弦波以减小失真但由于没有直流偏置，b 类放大器必定 会出现交越失真，即输入信号低于某一电平( 即门坎电压，n p n 硅管约为o 7 v ，p n p 硅管约为o 6 v ) 时，两个输出功率管z 和正均截止，如图2 4 所示。 给。 一涮 _ 夺瞧，备、 ，w - 交越失真v ( a ) b 类推挽输出电路( b ) 有交越失真的输出波形 图2 4 推挽式b 类放大器输出电路 款车载音频功放芯片的设计与实现 2 1 3a b 类放大器 a b 类( 甲乙类) 放大器，实际上是a 类和b 类的结合。每个功率管的导通时间 在5 0 l o o 之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。 a b 类放大器是在b 类设计基础上，增加偏置电流，使放大器进入a b 类，这也 是克服b 类放大器交越失真的一种方法1 。其电路结构如图2 5 所示。 譬e c 熙 图2 5a b 类放大器电路结构 a b 类放大器的典型工作状态如图2 6 所示。a b 类放大器是把静态工作点偏置 在q 点，有半个周期以上0 o 。a b 类放大器，在输出低于某一电平时，两个输出 功率管皆导通，其状态工作于a 类；当电平增高时，一个功率管将完全截止，而 另一个功率管将供给更多的电流。这样在a b 类状态开始时，失真将会突然上升， 其线性劣于a 类或b 类。由于两输出功率管均少量正向导通偏置，故其效率低于b 类，不能做到高达6 0 7 0 ，不过它的正当使用在于它对a 类的补充，且当面向 低负载阻抗时可继续较好地工作。 图2 6a b 类放大器典型工作状态图 第二章音频功率放大器的电学特性 9 2 1 4c 类放大器 c 类( 丙类) 放大器，是指器件导通时间小于5 0 的工作类别。 c 类放大的典型工作状态如图2 7 所示。c 类放大器是把静态工作点q 偏置在 截止点之下，当有信号输入时，只有超过偏置点稍许，管子才导通，效率更高， 但由于失真过大，难以用于音频功放，多用于高频功放作为倍频用，或用于射频 放大。 0 j 、， 图2 7c 类放大器典型工作状态图 2 1 5d 类放大器 d 类放大器又称为数字放大器，采用p w m 调制方式，工作于开关状态，无信号 时无电流，而导通时，没有直流损耗，直接对数字语音数据实现功率放大9 1 1 0 1 n 1 】 事实上d 类放大器由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时，器件并没有 完全短路，尚有一定管子压降，故存在较少的直流损耗，效率不能高达1 0 0 ，实 际在8 0 9 0 ，是实用放大器中效率最高的。 d 类放大器需要模数转换电路将音频正弦信号先变为脉冲方波，从而进行放 大，再接一个低通滤波器滤去脉冲波的高频部分，得到基波成分，也就是一个数 模转换电路。但是，实际困难还是非常大的。从失真的角度来看，为保证采样频 率的有效性，必须将一个具有陡峭截止频率的低通滤波器，插入放大器与扬声器 之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要4 个电感( 考虑立体声) ，成本自 然会很高。此外，表现在频率响应方面，它只能对某一特定的负载阻抗保证平坦 的频率响应“一。 1 0 一款车载音频功放芯片的设计与实现 d 类功率放大器结构如图2 8 所示。 图2 。8d 类功率放大器结构图 2 2 音频功放的电学特性 放大电路实质上都是能量的转换电路。从能量控制的观点来看，功率放大电 路和电压电流放大电路没有本质的区别。但是，功率放大电路和一般放大电路所 要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压 信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出功率并不一定大。 而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真( 或失真较小) 的输出功 率，通常在大信号状态下工作，因此功率放大电路包含着一系列在电压放大电路 中没有出现过的特殊问题，要求输出功率尽可能大，效率要高，非线性失真要小 以及散热问题等。 音频功放的技术指标，主要包括输出功率、频率特性、瞬态响应以及非线性 失真等。其中，输出功率和频率特性等，通常称为静态特性指标，它们是用稳态 信号测量的；而瞬态特性和非线性失真等，则称为动态特性指标，它们是用非稳 态信号测量确定的“一。 2 2 1 静态电学特性 第二章音频功率放大器的电学特性 一、输出功率 按照音频功放输出功率的表示方法来说，常见的有额定输出功率( p m s ) ，最大 输出功率和峰值音频输出功率( p m p o ) 等。 额定输出功率是指在有效音频范围内( 2 0 h z 一2 0 k h z ) ，当产生额定总谐波失真 时，在额定负载阻抗上产生的功率。它在给定总谐波失真指标下，由供电电压、 功率管特性及所接负载大小决定。表达式为：只= u ；r 。，乩为负载两端的最大 不失真电压，r ，为额定负载阻抗。 最大输出功率是指在不考虑失真度指标的情况下，音频功放可连续输出的最 大功率，亦即不受失真限制时音频功放给出的最大功率。 峰值音频输出功率，也就是通常所说的p m p 0 功率。它是为了反映音频功放对 实际音频信号处理能力而提出来的。峰值音频输出功率是指在一个极短的持续时 间内，功放输出的最大瞬态功率。其大小通常为额定输出功率的8 l o 倍。 通常人们关心的是额定输出功率，这个指标更有实际意义。 二、频率特性 音频功放的频率特性，是反映它对不同信号频率放大能力的物理量。通常采 用输出电平随频率变化的函数曲线来描述，指的是振幅频率特性，习惯上称为频 率特性或频率响应( 简称为频响) 。 放大器的电压增益相对于中音频厶( 1 k h z ) 的电压增益下降3 d b 时所对应的 低音音频疋，和高音音频厶称为放大器的频率响应。 2 2 2 动态技术参数 一、转换速率 转换速率s r ( s 1 e wr a t e ) 是反映音频功放瞬态特性的一项技术指标。它表示给 放大器施加一个输入电压后在1 u s 时间内，放大器输出电压的变化，单位为v u s 。 通常用于衡量放大器对输入脉冲信号做出迅速反应的能力1 蚰。 二、总谐波失真 音频功放的总谐波失真，主要是由功率管的非线性，静态工作点不合适或信 号过大而引起的。其明显的特征是在输出信号中，出现了输入信号中原本没有的 频率成分，属于种非线性失真。 总谐波失真( t h d ) 的大小，可用各次谐波之和的均方根与基波有效值的百分比 来表示，即： 强= u 曙+ 曙+ + 砰办) 1 0 0 ( 2 1 ) 式中，k 为基波信号有效值，砭、匕圪分别为2 、3 n 次谐波有效值。 1 2 一款车载音频功放芯片的设计与实现 前者为输入信号，后者为由非线性失真引入的各次谐波信号。通常，在额定输出 条件下，一般高保真功放的总谐波失真大多在0 1 以下，而专业级功放的总谐波 失真，则可达0 0 3 以下。可见，音频功放的总谐波失真应越小越好“一。 本章阐述了各种功率放大器的工作特点及音频功放的主要技术参数，从效率、 失真、功耗、成本等几个方面入手，对各类放大器作了横向比较。综合考虑这些 技术指标后，本课题采用a b 类放大器结构设计一款车载音频功率放大器芯片，第 三章将给出该芯片的系统结构、工作原理及具体实现电路。 第三章音频功率放大器电路结构设计 1 3 第三章音频功率放大器电路结构设计 3 1 芯片的性能指标及引脚含义 本文设计的芯片是一款具有低失真度、高性能的音频功率放大器。它能在1 8 v 的单电源供电条件下为4q 负载提供高达4 2 w 的功率输出。该芯片正常工作仅需 要很少的外部元件，芯片内部设计有限流保护和过温保护电路，对芯片进行过载 保护，而且芯片设计采用了经典的电路结构，保证了大功率输出时的低失真度， 同时具有增益高、转换速率大、输出电压摆幅大、输出电流大和供电电源范围宽 等特点。该芯片在内部进行补偿，电路不会发生振荡。该功率放大器芯片主要用 于车载音响系统中，其主要性能指标如下： 最大额定供电电压1 8 v ； 高的输出功率： 4 4 2 w 4qm a x ， 4 2 7 w 4q 1 4 4 v ，1 k h z ，1 0 ： 低的失真度； 低的输出噪声； 功率带宽4 0 k h z ； 输入失调电压小：最大值在0 5 m v 以内； 具有交、直流短路电流保护功能：当输出电流大于4 a ，芯片内部的限流保护电 路开始工作，将抽走输出功率管基极的部分电流，将输出电流控制在4 a 以下，使 功率管处于s o a 区域内1 叫。 具有过温保护功能：芯片工作时，温度升高到1 5 0 以上，过温保护电路将关 断功率输出级，直至温度下降至安全工作区，保护芯片在高温下不受损坏。其封 装和引脚如图3 1 所示。 1 4 封装引脚描述如表3 1 。 一款车载音频功放芯片的设计与实现 图3 1 芯片的封装引脚图 表3 1 封装引脚含义 v l 卜：o 凸u叶叠z 。艮 芷no 叫- l 3 鬣 + 峙卜o o 8 。竹卜oo n 口z 。 + 譬r i o q z o 。u n 兰 崎篓 o z 9 - 蚺 譬一 - z 一 要 |b=o _ 畚z o ，艮 ；卜o o u 3 n卜o 。卜协 。牮j口 n q z o ，i卜o o 龠o v l m b e rp n n a m ep i nt y p ep i nd e s c r 母t i o n 1t a bn c 2o f f d e to u t p u to f b e td e t e c t o r 3p g n d 2p o w e r p o w e r 掣o u n d 4o u t 2 o u t p u t n e g ，o u t p u to fc h a l l n e l2 5 s t b y烈 s t a n d b yc o n 打o lp i n 6o u t 2 +o u t p u t p o s o u t p u to fc h a i l n e l2 7v c cp o w e rp o w e rs u p p l y 8o u t l o u t p u t n e g ，o u t p u to fc h a n n e l l 9p g n d lp o w e rp o w e rg r o u n d 1 0o u t l +o u t p u t p o s o u t p u to fc h a n n e l l 11s v ri n o u t s u p p l yv 0 1 t a g er e je c t i o n 1 2i n li n p u t i n p u to fc h a r u l e l l 1 3i n 2小沪u t i n p u to f c h a 衄e l2 1 4 s g n dp o w e r s i g n a lg r o u n d 1 5i n 4d o u t h l p u to f c h a l u l e l4 1 6 i n 3小m u t i n p u to f c h 籼e 13 1 7 a c g n dp o w e ra cg r o u n d 18 o u t 3 +o u t p u t p o s ，o u t p u to fc h a n n e l3 第三章音频功率放大器电路结构设计 1 9 p g n d 3p o w e r p o w e r 伊o u n d 2 0o u t 3 o u t p u t n e g o u t p u to fc h a n n e l3 2 1v c cp o w e rp o w e r s u p p l y 2 2 o u t 4 o u t p u tp o w e rg r o u n d 2 3m u t ei n p u t m u t e p i n n u m b e rp i nn a m ep i nt y p ep i nd e s c r i p t i o n 2 4o u t 4 o u t p u t n e g o u t p u to f c h 锄e l4 2 5p g n d 4p o 、v e rp o w e rg r o u n d 2 6 c do u t p u t c l i p p i n gd e t e c t o r 2 7t a bn c 3 2 芯片的系统框图及结构设计 芯片的系统框图如图3 2 所示。该芯片采用桥式结构，主要由偏置电路，输 入级，输出级和保护电路四大主要模块以及共模放大器( c m a ) 和电容( i c m ) 模块所 组成。 图3 2 音频功率放大器系统框图 下面简要阐述一下芯片的工作原理及各子模块功能。 差分输入级：将输入的单端信号进行定的放大并转换成双端信号输出，以 提高了输出摆幅和驱动能力。采用差分放大器结构保证了整个电路具有较大的输 入阻抗，能降低噪声，提高了信噪比，降低了失真度。在信号的输入端还设计了 1 6 款车载音频功放芯片的设计与实现 e s d 保护电路，以保护输入对管，保证芯片的安全“。 偏置电路：偏置电路为各模块提供偏置电流或作有源负载，保证了电路的稳定 工作，大的供电电流有利于改善电路的频率特性和温度特性“”。 输出级：包括了中间放大级跟功率输出级两个模块电路。中间放大级将输入 级的输出信号进行放大，用以驱动功率输出级。中间放大级采用了恒流源作为有 源负载，大大的提高了增益，其电压增益控制在8 0 d b 左右。且中间级采用了m i l l e r 补偿电容构成负反馈，完成了中间放大级的线性化，降低了失真度“。而功率输 出级是单位电压增益输出级，采用了准互补式输出级( 推挽式结构) ，工作在a b 类状态，以消除b 类引入的交越失真“。功率管由许多晶体管并联而成，为负 载提供足够大的驱动电流。这一模块中还包括了缓冲级和交、直流短路保护电路。 中间放大级与功率输出级之间采用了缓冲级，减小了后级电路对前级的影响，改 善了放大器的非线性，减小了中间放大级的负载失真，提供了抗干扰能力，保证 了电路的稳定工作。交、直流短路保护电路采用的是电流限制式保护，此功率放 大器可输出的最大电流是4 a ，而当有4 a 以上的电流长期流过输出功率管时，尤其 是发生输出短路，很有可能会使输出功率管烧坏，限流保护电路限制了最大输出 电流，保护了输出功率管。 保护电路：功率集成电路耗散的功率较大，发热量大，芯片温度较高。如果让 芯片长期工作在高温下，而不至于损坏内部器件，就必须设置过温保护电路“。 此功率放大器过温保护电路的热关断点设置在1 5 0 左右，芯片在热关断温度点以 下可正常工作，当温度达到热关断温度时，过温保护电路起作用，切断了功率通 路，保护了芯片内部器件。同时还为功率管设置了过压保护，过流保护等以防止 功率管被击穿。 c m a 模块：牵制静态工作点，使两臂均被偏置在合理的工作状态，以免两臂输 出时发生截止失真。 i c m 模块：被设计成一个超大值电容的电路。尽可能的减少高频时反馈回路中 心点的对地阻抗，保证芯片正常工作状态。 综上所述，芯片中差分输入级是实现差分电压输入、电流输出。偏置电路给 差分输入级提供偏置电流，为功率输出级和保护电路提供了偏置。功率输出级必 须具有很小的输出阻抗，才有较强负载驱动能力，实现功率的放大。c m a 和i c m 共 同确保了芯片的静态工作状态。在芯片中，对输出功率管虽然已经采取了过流保 护措施，但它仍然不能算是处于绝对安全的状态。因为绝大多数限流保护电路允 许输出管的耗散功率，要比正常工作条件下大得多。这时所增加的耗散功率就会 使散热片的温度不断上升，直至最终达到输出管结温的极限点。一旦散热片温度 超过这一极限点，输出功率管就可能被损坏。显而易见，为了确保输出功率管的 安全，对芯片采取过温保护措施，同样是非常重要的“。 第三章音频功率放大器电路结构设计 3 3 芯片的典型应用测试电路 该芯片的典型应用测试电路如图3 3 所示。该芯片具有内部偏置、自我保护、 内部补偿等特性，因此工作时需要的外部元件很少，为提高电源抑制比( p s r r ) ，采 用了两个电容来滤除供电电源的高频和低频分量2 阴。因为芯片内部设有直流偏 置，所以在输入端口接一个隔直电容以滤除输入信号中的直流分量。 图3 3标准测试与应用电路 3 4 桥式放大结构 0 u t l 0 啪 0 阑 0 u 1 - 4 为实现单电源供电，且不使用变压器和大电容，该音频放大器采用桥式结构。 桥式放大器被用来增加在相同负载跟供电电压的情况下的功率，增加了输出的电 压摆幅，同时也增加了整个电路的驱动能力。其结构如图3 4 所示。 y e b t ， z 3 4 阳 盯 叭 屹 咐 翻 啊 列 ， 1 8 一款车载音频功放芯片的设计与实现 图3 4 桥式结构 输入为单端信号，输出为双端信号。 电压增益为： 因为： 所以： g = 吃+ 一吃一 圪+ = = 等呜 一一等一等 = g + 一g 一( 3 1 ) + = 4 拥等+ 如孚= ( + 等 孚+ 厶孚 一= 一么拥等+ 如等= 一( + 等 孚+ 彳。等 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 第三章音频功率放大器电路结构设计 1 9 = + 一一= 缸= ( + 鲁) 吃 c3 6 ) 因此，增益g 口加：孕：1 + 拿：2 1 ，d b 增益为2 6 d b 。 蜀 3 5i c m 结构 因为一些高频振荡可能发生，当输出臂中一个先于另一个饱和的时候，问题 就会出现。假设d “f + 饱和，而d 谢一仍然跟随输入信号。这样包含d 甜f + 的反馈环路 停止工作，而御+ 的负输入不再是一个实质上的地近似值。那么d 甜一的闭环增益将 从r r 2 r 。变为尺r 一忙。+ + r 。一+ 尺厂+ ) 。增益向一个能带来更大的高频振荡的点减 小。 i c m 模块被设计成等效于一个超大值电容的电路。目的是尽可能的减少高频时 反馈回路中心点的对地阻抗。等效电路如图3 5 所示。 c 对于左边电路有： r c 图3 5i c m 等效电路 。k “c = 半+ 竿= 华叱 弘：惫譬 z 如o ) = 嘉 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 2 0 一款车载音频功放芯片的设计与实现 对于右边电路有： 1 + 旦 c ：盟 c r ：坐盟 r + r n 厶吐。：哗 r + 二 s c i c m 的实现电路如图3 6 所示。 弘等：蒜 c 。= ( 1 + g 。月：) c 图3 6i c m 电路 ( 3 1 0 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 盎妃， 叱 第三章音频功率放大器电路结构设计 3 6c m a 的结构 如图3 7 所示。a 和b 构成放大器的输入到输出，c 是共模放大器。考虑到c 的时候，系统的对称问题就凸显出来。采用c m a ( c o 姗o nm o d ea m p l i f i e r ) 结构 的目的是平衡桥式结构两臂的增益，因为g + 和g 一的不同会产生功耗损失。 在图3 4 桥式结构中，如果没有c m a 的话， 则有： = ( + 等卜= n ； 慨m k 一( 去卜圳； 所以： 如加忆r m a ) 【) = 如蚍吒，m 警砌删，卜( 1 0 + ：1 ) ( 1 1 + 1 1 ) ( 3 1 9 ) = 0 9 5 4 宰比砌i y m a ) 【砌p d 肥“zj 、o ”， 一 ， 显然两臂存在一定的不匹配，会导致管子的过饱和。 另外，采用c m a 结构来减少共模点的电压调制对两输出臂的影响。在每个半 波期间，都有一个p n p 功率管同另一个臂的n p n 功率管一起工作。因为他们有不 同的值，但是又要必须流过相同的电流站，这样一来厶就得不同，同时引起中 间点电压改变以产生额外的偏执电流。利用c m a 使电压调制转换到输出，表现为 共模点输出电压的调制。 基本模块应用如图3 7 所示。a 和b 为放大器的输入和输出。而c 为共模放大 器。考虑到放大器c ，这个系统的对称性是显而易见的。 一款车载音频功放芯片的设计与实现 图3 7c m a 基本应用结构 在桥式结构应用中，c m a 的闭环反馈增益在低频下被设置成2 0 d b 以使桥式结 构的两臂更加平衡。c m a 实现电路如图3 8 所示，为一个双端输入单端输出的比较 电路。通过镜像来输出信号。 第三章音频功率放大器电路结构设计 图3 8c m a 实现电路 3 7 输入输出偏置 放大器的输入被偏置在s v r ( 2 ) 作为交流地( a c g n d ) 。在电阻网络中没 有电流，所以输出也被偏置在2 。这样一来，可能的电阻不匹配就不会影响到 输出失调问题。 一款车载音频功放芯片的设计与实现 输入电阻为1 0 0 k ，而对于a c g n d 来说就变成了2 5 k ，因为a c g n d 与四个放大 器相关联。内部电容为o 4 胪正好为信号输入电容( 为0 1 胪) 的四倍，这样就 降低了整个系统的失调。 因此，我们有： 2 等鬲丙矗赢 2 圪，=