（微电子学与固体电子学专业论文）一种音频功率放大器芯片的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 音频功率放大器广泛应用于家庭影院、音响系统、立体声唱机、伺服放大器等电 子系统中。人们在追求高保真度音频功放的同时，也希望功放有大的输出功率和高效 率。因此，设计一种失真度小，输出功率大，效率高的音频功放也有很重要的现实意 义。 本文介绍了一种额定输出功率为2 0 w 的音频功率放大器芯片的设计。该芯片采 用了a b 类推挽输出级，内部有m i l l e r 补偿，可保证闭环稳定性。芯片内部设有过温 保护电路，过流保护电路和过压保护电路，对芯片实施了三重保护，在输出大功率或 驱动感性负载的同时，可保证芯片不被损坏。芯片能够在士2 5 v 的电源电压下为4 0 或 8 0 的负载提供2 0 w 的输出功率。该电路设计采用了先进的电路结构，保证了大功率 输出时的低失真度，同时具有1 0 0 d b 的开环增益，4 a 的电流容量，l o v 脑的转换速 率和4 0 k h z 的功率带宽等性能指标。 本文对各模块性能指标的设计做了详细介绍，同时也对版图设计注意事项做了简 单介绍，还给出了芯片在典型应用下系统仿真的波形。最后，提出了芯片功能改进的 方案及相应的后续工作。 该芯片采用4 t mb i p o l a r 高压工艺实现。利用c a d e n c es p e c t r e 对各部分电路进行 了仿真，仿真结果完全满足设计要求，同时利用c a d e n c ev i r t u o s o 进行版图绘制。目 前该芯片正在流片。 关键词：音频功率放大器c l a s s a b 输出级限流保护过温保护失真 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u d i op o w e ra m p l i f i e ri sw i d e l yu s e di nh i 曲p e r f o r m a n c ea u d i os y s t e m s ，s t e r e o p h o n o g r a p h s ，s g r v oa m p l i f i e r sa n di n s t n t m e n ts y s t e m s n o w a d a y s ，p e o p l ee m p h a s i z eh i 曲 p o w e ra n dh i 曲e f f i c i e n c ya 8w e l la sh i 曲f i d e l i t yf e a t u r eo fa u d i op o w e ra m p l i f i e r s oi t s w o r t ht od e s i g na na u d i op o w e ra m p l i f i e rw i t ht h ef e a t u r e so fh i 【曲p o w e ra n dh i g l l e f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , a2 0w a t ta u d i op o w e r a m p l i f i e rh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hh a sc l a s s a b o u t p u ts t a g e ，a n dw i t hm i l l e rc o m p e n s a t i o ni n t e r n a lt og u a r a n t e et h es t a b i l i t yo fc l o s el o o p t h ec h i ph a si n t e r n a lc u r r e n tl i m i t 、t h e r m a ls h u t d o w na n do 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 e r i n gh i 曲o u t p u tp o w e rt ot h el o a do rd r i v i n gn o n l i n e a rr e a c t i v el o a d s ，t h e d e g r a d a t i o no f t h eo u t p u tt r a n s i s t o ro rc a t a s t r o p h i cf a i l u r eo f t h ew h o l ec i r c u i tm a yh a p p e n w i t h o u tt h o s ei n t e r n a lp r o t e c t i o nc i r c u i t i t sc a p a b l eo fd e l i v e r i n g2 0w a t to fo u t p u tt oa4 0o r8ql o a da t 士2 5v s u p p l i e s 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 h n i q u e s a n dp r o c e s st e c h n o l o g yt oa c h i e v ee x t r e m e l yl o wd i s t o r t i o nl e v e l se v e na th i 曲o u t p u t p o w e r t h ec h i pa l s oh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：o p e nl o o p g a i no f1 0 0 d b ，c u r r e n t c a p a b i l i t yo f 4 a , s l e w r a t eo f1 0 v 凰a n d p o w e r b a n d w i d t ho f 4 0k h z d e s i g no fe a c hb l o c ki sd e s c r i b e di nd e t a i l ，l a y o u tc o n s i d e r a t i o ni sa l s op r e s e n t e di n b r i e fa n dt h es i m u l a t i o nw a v e sa r eg i v e n a tl a s t ，t h ei m p r o v e m e n to fc h i pf e a t u r e si s p r o p o s e da st h ef e a t u r ew o r k t h e4 pm h i g hv o l t a g eb i p o l a rp r o c e s si su s e dt of a b r i c a t et h i sc h i p w eu s ec a d e n c e s p e c t r et or a ns i m u l a t i o n ，a n dr e s u l t so fs y s t e ms i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t h i sc i r c u i tm e e t se x a c t l yw i t ht h ed e s i g ng o a l s m e a n w h i l e ，w en s ec a d e n c ev i r t u o s ot o e d i tl a y o u t ，a n dt h ec h i ph a sb e e ni nf a b r i c a t i o nn o w 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 t h e r m a l p r o t e c t i o n c l a s s a bo u t p u ts t a g e c u r r e n tl i m i t d i s t o r t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 苘、扫 日期：驯年5 月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：下茕辛自 日期：“年f 月，0 日 指导教师签名： 日期：沙够 月，0 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 音频功率放大器的现状及发展趋势 晶体管音频功率放大器的设计与技术，自开始时算起，已经有5 0 余年的历史了【1 】。 早在6 0 年代以前，真空管功率放大器一直占着主导地位，其工作类别采用a 类f 甲 类) 或a b 类( 甲乙类) ，并由变压器与负载耦合。这一趋势，随着半导体技术的发展， 可认为终止于真正可靠的半导体管达到了合理价格之时。 随后，使用锗器件的设计首先出现，但是锗管由于在一般的高温时容易损坏而严 重地遭受着磨难，热逃逸这个词由此诞生。之后硅材料的n p n 型半导体管出现，在 一段时期里，绝大多数功率放大器采用此管用于功率放大级的推挽工作中，但仍依赖 于输入和输出变压进行耦合。显然，这些变压器往往是笨重而价高，线性不佳，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，从而增加了其伤害性。 后来，人们已认识到在功率晶体管和8 q 扬声器之间的阻抗匹配上，无需再用变 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 激励管在市场上可售，而功率输出器件采用推挽电路可做成 n p n 型管。 随着现代电子技术的不断发展，功率放大电路也得到了飞速发展和应用。特别是 半导体技术的进步，使功率放大电路向模块化、小型化、集成化的方向不断发展嘲。 功率放大器通常根据其工作状态分为五类即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 能赢接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。人们把此种具有“开关”方 式的放大，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 ，实际的运用也可达8 0 以上。功率器件的耗散功 华中科技大学硕士学位论文 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 有自保护电路，而且不会引入非线性失真。近年来，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，但是尚存在较大的难度，由于采用p w m 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【3 】。 模拟功率放大器通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，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，体积较大。 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。 1 2 课题的目的和意义 功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之问存在矛盾。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 4 l ： ( 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。 ( 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 2 华中科技大学硕士学位论文 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 )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。 本课题的目标是设计一个2 0 w 的音频功率放大器芯片，通过采用一些先进的电 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 关于课题所作的工作 本人在攻读硕士研究生学位期间，参加了若干课题的研究，专业知识水平有了极 大的提高。在实践过程中，本人主要做了以下工作： ( 1 ) 收集阅读了4 0 余篇国内外关于音频功放的资料，归类总结，了解音频功 放的基本原理、文献中出现的各种结构以及设计的思想： ( 2 ) 完成了本芯片的系统分析、电路仿真、版图绘制； ( 3 )完成了本芯片技术文档的建立，包括仿真环境的建立、根据工艺文件编写 d r c 、l v s 、e x t r a c t 等文件、系统分析报告、仿真报告以及芯片测试方案等等； ( 4 )参与了一款1 2 c 实时时钟芯片的设计研发，完成了控制逻辑模块、晶振起 振电路的设计、仿真、版图绘制、芯片的系统仿真以及样片的测试。该芯片不仅实现 了基本的计时功能，而且内部还集成了主电源掉电检测电路，可在主电源掉电后由备 用电源( 电池) 供电，保证时钟的准确性，芯片内部还集成了5 6 b i t 的r a m ，芯片通 过两根1 2 c 总线实现与外界的通讯，数据传输速率最高为1 0 0 k b s 。该芯片采用c m s c 的o 6 p m 两层多晶硅两层金属工艺实现，且已实现量产。 ( 5 ) 负责了一款单电源供电、低功耗串行实时时钟芯片的设计研发，完成了系 统设计、晶振起振电路的设计以及仿真、系统仿真、总体版图的整合以及样片的测试。 该芯片面积小，功耗低，静态功耗仅为1 a 左右。该芯片采用c m s c 的0 6 t m 两 层多晶硅两层金属工艺实现，也己实现量产。 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 )参与了一款带涓流充电和r a m 的实时时钟芯片的设计研发，完成了系统 仿真、版图绘制以及样片的测试。该芯片不仅实现了基本的计时功能，内部还集成了 涓流充电电路，可对电池充电，而且还可输出四种频率的方波信号。该芯片采用c m s c 的o 6 , u i n 两层多晶硅两层金属工艺实现，也已实现量产。 ( 7 )还参与了另外三款芯片的设计研发：驱动白光l e d 的升压型d c d c 转换 芯片、带看门狗的电源监控芯片、4 x 4 0 w 的车载功放芯片。 以上列举的工作为本人毕业设计课题的完成打下了良好的基础。通过搜集、阅读 相关文献、参与实际的设计工作，并在实践中发现问题、解决问题，本人的科研能力 得到了很大的提高。 1 4 论文的组织结构 本论文详细介绍了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 誊： 第一章是绪论，主要介绍本课题的意义，具体工作内容。 第二章介绍了音频功放的主要工作类别及各自的优缺点。 第三章介绍了该芯片的主要性能指标、系统结构及工作原理。 第四章详细介绍了芯片各模块的设计，以及电路性能参数的优化。同时也介绍了 版图设计时，尤其是设计输出功率管时应注意的事项。最后给出了芯片的整体版图。 第五章给出了芯片系统仿真结果，给出了单电源供电、双电源供电下的应用电路 的仿真结果，并给出了考虑工艺偏差后的仿真结果。 第六章对本论文开展的工作做了全面的总结，并提出了下阶段将要开展的工作。 1 5 创新点 本文的创新点体现在版图设计中，对输出功率管的设计、布局方面。功率管采用 了许多小管子并联，版图画成又指状，一方面考虑了电流密度和流向，另一方面考虑 了版图的紧凑性，以节省面积。 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 )该电路工作电压高，属于功率器件，因此在设计上必须对输出功率管的电 流容量及击穿电压留有足够的裕度。故设计时采用许多个n p n 管并联，既保证其输 出电流能力，输出电流可高达4 a ，又能保证管子不被击穿，工作电压可高达6 0 v 。 ( 2 ) 由于流过金属总线的电流很大，即使金属电阻很小，也会使并联的n p n 管发射极电位存在差值，导致某些管子过流，形成热斑，最终会烧坏整个芯片的输出 功率管。为此在设计时，给输出功率管的发射极串连了负反馈电阻，使电流尽量在并 联的管子间均匀分配。同时单个管子长条发射极两端也存在电位差，也会形成热斑， 设计时要使e 差值在安全值以内。通过选取合适的发射极负反馈电阻和发射极条 长、条宽，使在输出电流高达4 a 的情况下，单个发射极两端g 差值也仅有 0 5 3 9 m v ，远小于安全值5 m y ，保证了芯片不被烧坏。 ( 3 )同时考虑到金属上的电压差和各管的电流差，连接各管串联电阻的金属做 成梯形，而各管子排列也成梯形，以确保覆盖基极的金属和连接各管串联电阻的金属 之间间距一致。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 音频功率放大器的分类与主要技术指标 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 2 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) 1 5 1 。 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 2 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 华中科技大学硕士学位论文 成的直流工作点在q 点，此时i c 鸷。 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i c q v c c ，并转换为热量的形式耗散出去。 当有正弦音频信号输入时，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点之内，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、助昕器中，也有用于高级的h i f i 功放中【6 1 。 图2 1ag a i t 大器典型工作状态图 2 2 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。 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 2 所示。 图2 2b 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i c = 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 华中科技大学硕士学位论文 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0 7 v ，p n p 硅管约为 o 6 v ) 时，两个输出功率管t l 和t 2 均截止，如图2 3 所示。 啦 0 6 o 一0 _ 6 v o , i l 0 ( a ) b 类推挽输出电路( b ) 有交越失真的输出波形 图2 3 推挽式b 类放大器输出电路 2 2 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 1 0 0 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。 a b 类放大器的典型工作状态如图2 4 所示。a b 类放大器是把静态工作点偏置为 q 点，有半个周期以上i c 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，不能做得 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 华中科技大学硕士学位论文 继续较好地工作。 图2 4a b 类放大器典型工作状态图 2 2 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 5 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【l 】。 0 i ? 、 j 、 t 、， 图2 5c 类放大器典型工作状态图 2 2 5d 类放大器 d 类放大器又称为数字放大器，采用p w m 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。 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， 华中科技大学硕士学位论文 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，也就是一个数膜转换电 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) ，成本自然不会低。此外，表现在频 响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应 7 1 。 2 3 音频功放的主要技术指标 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 定的嗍。 2 3 1 静态性能参数 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( g m s ) ，最大输 出功率和峰值音乐输出功率( p m p o ) 等。 额定输出功率是指在有效音频范围p q ( 2 0 h z - - 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。 晟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。 峰值音乐输出功率，也就是通常所说的p m p o 功率。它是为了反映音频功放对实 际音乐信号处理能力而提出来的。峰值音乐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 1 0 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 0 华中科技大学硕士学位论文 频率响应( 简称为频响) 。 2 3 2 动态性能参数 一、转换速率 转换速率s r ( s l 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l g s 时间内，放大器输出电压的变化，单位为w g s 。通常 用于衡量放大器对输入脉冲信号作出迅速反应的能力9 1 。 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， 属于一种非线性失真。 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： t h d = ( 2 + 巧2 + 圪2 k ) 1 0 0 ( 2 1 ) 式中，n 为基波信号有效值，圪、巧k 分别为2 、3 n 次谐波有效值。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 o 0 3 以下。可见，音频功放的总谐波失真应越小越好【。 本章介绍了各种功率放大器的工作特点及音频功放的主要性能参数，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。综合考虑这些性能指 标后，本课题采用a b 类放大器结构设计一款音频功率放大器芯片，第三章将介绍该 芯片的系统结构及工作原理。 华中科技大学硕士学位论文 3 音频功率放大器芯片系统介绍 3 1 芯片的性能指标及引脚含义 本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2 5 v 的双电源 供电条件下为4 0 或8 0 负载提供2 0 w 功率输出；在3 0 v 的双电源供电条件下为8 0 负载提供3 0 w 以上的功率输出。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先进的 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，使其工作在闭环增益墨0 的条件下均能稳定，不会发生 振荡。该功率放大器芯片主要用于音响系统、桥式运放、立体声唱机、伺服放大器等 中，其主要性能指标如下： 宽的供电电压范围：双电源供电时，8 v 3 0 v ；单电源供电时，1 6 v 6 0 v ； 输出功率大于2 0 w ( 最高可达3 0 w 以上) ； 输出电流可高达4 a ； 开环增益典型值为1 0 0 d b ； 功率带宽4 0 k h z ； 转换速率大于1 0 v t s ； 输入失调电压小：典型值在2 m v 以内； 输入偏置电流小：典型值是o 2 u a ； 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 1 】。 具有过温保护功能：芯片工作时，温度升高到1 5 0 。c 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。 2 华中科技大学硕士学位论文 其封装和引脚如图3 1 所示 掩c 棚玎m 一堆e 一啪 + 懈 图3 1 芯片的封装引脚图 在图3 1 中，各个引脚的含义是： 管脚1 ：芯片的同相输入端+ i n 。 管脚2 ：芯片的反相输入端琳。 管脚3 ：负电源端j v e e 。芯片在双电源供电条件下，正常工作的负电源电压范围 为一8 v 一3 0 v ；芯片在单电源供电条件下，该管脚接地。 管脚4 ：芯片输出端o u t p u t 。 管脚5 ：正电源端v c c 。芯片在双电源供电条件下，正常工作的正电源电压范围 为8 v 3 0 v ；芯片在单电源供电条件下，正常工作的正电源电压范围为 1 6 v 6 0 v ： 3 2 芯片的系统框图及结构分析 芯片的系统框图如图3 2 所示，该芯片主要由差分输入级，中间放大级，恒流基 准源，功率输出级和过温保护电路5 个模块组成。 珊 琳 图3 2音频功率放大器系统框图 下面简单介绍一下芯片的工作原理及各子模块功能。 差分输入级：将输入的双端信号进行一定的放大并转换成单端信号输出，以提高 共模抑制比( c m r r ) 。此差分放大器保证了整个电路具有较大的输入阻抗，能降低 华中科技大学硕士学位论文 噪声，提高了信噪比，降低了失真度。在差分放大器的输入端还设计了e s d 保护电 路，以保护输入对管，保证芯片的安全 1 2 】。 中间放大级：将差分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i ”。 恒流基准源：恒流基准源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【1 3 1 。 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， 为负载提供足够的驱动电流。这一模块中还包括缓冲级和交、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，提高了抗干扰能力，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。 过温保护电路：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 。c 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。 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。中间放大级则是 实现电流流入、单端电压输出。恒流基准源给差分输入级提供工作电流，为中间放大 级提供了有源负载，为功率输出级和过温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。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 4 华中科技大学硕士学位论文 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【1 6 】。 3 3 芯片的典型应用 该芯片单、双电源供电条件下的典型应用分别如图3 3 、3 4 所示： 图3 3 单电源供电的工作结构图 4 0 一g q 图3 4 双电源供电的工作结构图 华中科技大学硕士学位论文 从图3 - 3 、3 4 中可见，该芯片工作时需要的外部元件很少，为提高电源抑制比 ( p s r r ) ，均用了两个电容滤除供电电源的高频和低频分割1 7 】；为阻断直流分量的反 馈，闭环反馈环路中均用了反馈隔直电容；为滤除输入信号中的直流分量，均用了r 、 c 构成高通滤波器；为了实现两输入端的输入阻抗匹配，在正输入端均接了一个2 2 m 的电阻；为保证芯片驱动感性负载时的稳定性，在输出端均用了z o b e l 网络【1 1 ，也称 为b o u c h e r o tc e l l 单元。另外在图3 3 中，输出电压中含有直流电平( v c c 2 ) ，不能直 接驱动扬声器，须接一个隔直电容滤除直流分量。 本章介绍了芯片的性能指标、引脚含义、系统结构、工作原理及典型应用。第四 章将详细介绍各电路模块的工作原理、工艺参数选取、性能指标的折衷以及版图绘制 注意事项。 6 华中科技大学硕士学位论文 4 1 引言 4 电路设计与版图设计 本章介绍音频功放芯片各模块的设计，以及版图绘制时的注意事项。同时就如何 减小各级的失真，从而减小功放的总谐波失真进行了详细阐述。 4 2 差分输入级 放大器的输入级，几乎一律都采用差分对管放大电路，一般是因为它的直流失调 量很小。其中，除电压v b e 相互抵消而使失调量在本质上就很小外，还有两条理由： 其一是它的固定电流不再必须通过反馈网络了；其二是它的线性远比单管输入级好。 由于输入级所处理的信号很小，与输出级放大后的信号相比，其线性问题容易处理。 但是，对输入级的设计也不能轻视，因为一个错误认识设计出来的输入级，即便是稍 有不妥，也会很容易地出现对整个芯片高频失真起主宰作用【博】。 在许多电路中，输入级一般都采用n p n 差分对管，这是因为n p n 管的频率特性 比p n p 管好。对音频功放而言，是处理2 0 h z - - 2 0 k h z 的信号，故对输入对管频率特 性的要求没有其他处理高频信号的电路那高，主要要求其在高的工作电压和大的输出 功率下能够有较好的稳定性和较小的信号失真1 9 1 1 2 0 1 。 该芯片的输入级采用了p n p 差分对管，可以保证较高的输入差分电压承受能力。 该级的工作电流确定为几十肚a 。一方面保证了电路有较大的输入阻抗；另一方面， 有利于降低该级电路所产生的噪声【2 ，确保后级电路能够获得保真度更高的信号，以 用于放大。 输入级电路简图如图4 1 所示。其中，q o 、q 。构成差分输入对管，r 1 、r 2 是差 分输入对管发射极负反馈电阻，q 2 、q 3 、r 3 、r 4 构成的电流反射镜做有源负载。 华中科技大学硕士学位论文 + i n t n v oz 图4 1 差分输入级电路结构简图 输入级对管如果是个精心匹配好的差分对，输入级失真只有在高频域可以测出 其上升斜率为1 8 d b ! 倍频程，而且几乎就是纯粹的三次谐波。如果输入差分对不匹配 的话，则高频失真就从出现的噪声电平中显现出来，且当频率升高时，将以1 2 d b ，倍 频程的斜率上升，主要成分为二次谐波”。 因此，输入级电路中，输入对管q o 、q l 的直流平衡是极端重要的。为了取得精 确的平衡，在输入级中加上一个电流反射镜结构q 2 、q 3 、r 3 、心，它能够迫使对管 q 0 、q t 集电极电流近似相等，从而可以对二次谐波准确地加以抵消由于 1 c 。= ：，c 。= ，c ，+ ，。：+ 厶，为了使输入对管更对称，使q o 、q l 集电极电流更接近， 故r 3 、r 4 的数量级取k 0 ，使i c 2 和i c 3 的差值很小，则流入电流镜中q 5 ，q 6 基极的 电流就更小，则b 和i c l 几乎相等。用此电流镜做负载还有以下几个好处： ( 1 ) 若运放接成负反馈形式，则可减小因流经输入电阻与反馈电阻的基极电流 不相等而造成的直流失调【2 2 1 。 ( 2 ) 在匹配较好的输入级中，加上一个电流反射镜，至少可以把总的开环增益 ( 低频下) 提高6 d b 。即输出端v o l 的电流变化是不加电流反射镜时的两倍，贝口输入 级的g m 增为2 倍，低频域总的开环增益与g m 成正比，故总的开环增益( 低频下) 增加 6 d b 。 ( 3 ) 转换速率( s r ) 在加有电流反射镜后大致提高了一倍。因为此时输入级 华中科技大学硕士学位论文 可以把电流全部注入到m i l l e r 电容，而不必浪费在集电极负载上。如在正向大信号转 换的过程中，输入对管q 0 关断，则q 2 关断，由于q 2 、q 3 构成电流镜，故q 3 关断， 从而输入级总电流i l 通过q 1 全部注入到后级的m i l l e r 电容上；若不是用电流镜作为 有源负载，则在转换过程中必定有电流要流过q l 的集电极负载，注入到后级m i l l e r 电容上的电流小于i l ，转换速率自然减小。 在输入级中，即使是差分对管采用了电流反射镜结构，但仍有必要采取一定的措 施，以进一步减少它的高频失真。情况毕竟是，一旦它从本底噪声中冒出了头，就会 由于各自在频率上加倍而成为八倍，从而很值得把它们推到尽可能高的频段中去【l l 口 因此，为了进一步减小输入级的高频失真，改善其线性度，意味着随着频率f 的 增加，给m i l l e r 电容充电的电流必须足够大由于占。= j 鼍= 面1，其中= 孝， 故在给定相同的电流条件下，给输入对管的发射极串入负反馈电阻，局部负反馈可保 证g m 恒定。若发射极不串入r e ，则输入级等效跨导g m 增大，为保证稳定性裕度，则 需成正比地加大m i l l e r 电容值，则转换速率减小。因此，采用发射极负反馈电阻r i 、 r 2 的形式，g m 恒定，故可以通过增大输入级电流来减小输入级的高频失真，同时m i l l e r 电容的值不需要改变就可保证稳定性裕度，转换速率也得到了提高。 输入对管发射极串入的负反馈电阻r l 、r 2 也有其负面影响。它们是输入级热噪 声产生的主要来源【l 】，而且还是影响输入级直流失调的因素之一。输入级的直流失调并 不主要取决于输入管的失配，而在更大程度上取决于口的不平衡，因为它会造成流过 输入偏置电阻与反馈电阻的两个基极电流不平衡，从而引入直流失调电压来抵消这两 个电阻上的压降。若r 1 、r 2 两个电阻制造时存在公差，则会引起输入对管在直流条 件下基极电流的不平衡，从而增加直流失调电压。故r ，、r 2 的绝对值取得大一些， 则因电阻公差而引入的q o 、q l 基极电流的偏差就会小一些，可减小直流失调电压。 下面对输入级静态工作点及小信号增益进行分析与计算： 假设电路处于零电平输入状态，芯片的典型工作电压是v c c = 2 5 v ，v s s 一2 5 v ，而 对普通的n p n 管，由于其电流增益风较大，故i b 可忽略，输入级静态偏置总电流为 i l ，则静态工作点的分析如下： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 静态电流： k = l 。= 冬 ( 4 1 ) k “七z 皂 ( 4 _ 2 ) ( 2 ) 直流电平： _ = + 7 ，+ 。+ r 1 i i i = 。+ 。竭冬 ( 4 t 3 ) = ：+ r 3 “等+ k = 3 + r 4 。詈+ ( 4 4 ， v o l 的直流电平值o a 后一级电路决定，在后面中间放大级电路的分析中将会给出 其直流电平值。 下面估算一下其小信号开环增益： 将输入级开环电压增益记为a v t ，g 神为输入管q 0 的等效跨导，输入级的输出阻 抗为i b ，中间放大级的输入阻抗为r ，则有： ，l：=了热：i差每丽：丁-2aicx ( r o , r i ：! ) ：一g ，。x ( r o l r f 2 ) ( 4 5 ) + 刀叮一( 一册2 ( + ，、，c 6 1 01 f 2 。 g ，o 。= 2 瓦瓦高丽m 磊石丽p o “瓦i r b b c 4 6 “。 + e 厶。 如。+ ( 1 + 屁) ( o + 墨) 】一。+ ( 1 + 屁) ( 墨+ 。) 一置+ 。 一。 输入级等效输出阻抗r o 为q o 管集电极电阻