D型音频功率放大器的IC设计

1、2011年第5期 仪表技术#31#D型音频功率放大器的IC设计张思敏,傅科成,冯勇建(厦门大学物理与机电学院,福建厦门361005)摘要:D型功率放大器以其体积小、效率高的优点延长了系统的电池寿命,文章针对D型放大器的优点,设计了一款高效率、低失真的D型音频功率放大器。通过建立负反馈提高放大器的线性度与电源纹波抑制比;最小化系统的失真要求高速采样,芯片设计了高速比较器来满足这一要求;同时,根据工作需要,芯片的带隙基准设计具有较低的温度系数,较高的电源抑制比。关键词:D类放大器;带隙基准;三角波发生器1006-2394(2011)05-0031-04中图分类号:TN386.1 文献标识码:A 文

2、章编号:ICDesignofClassDAudioAmplifierZHANGS-imin,FUKe-cheng,FENGYong-jian(SchoolofPhysicsandMechanical&ElectricalEngineering,XiamenUniversity,Xiamen361005,China)Abstract:ClassDaudioamplifiercanextendbatterylifeforitssmallcubageandhighefficiency.InconnectionwiththeadvantagesofClassDaudioamplifier,ac

3、lassDaudioamplifierwithhighefficiencyandlowdistortionisde-signedinthispaper.Anegativefeedbackisestablishedtoimprovethelinearityoftheamplifierandpowersupplyripplerejection.Minimizingthedistortionofthesystemrequireshigh-speedsampling.High-speedcomparatorisdesignedtomeetthisrequiremen.tMoreover,thework

4、requiresthatthechiphasaband-gapreferencewithlowtemperaturecoeff-icientandhighpowersupplyrejectionratio.Keywords:classDaudioamplifier;band-gapreference;triangularwaveformgeneratorPWM技术(脉宽调制技术)是把模拟信号的幅度调制成一系列矩形脉冲的宽度,该技术具有电路结构简单、低能耗的优点,因此在设计实践中应用范围最为广泛。本文中D型功率放大器的核心架构就是脉宽调制架构,主要工作模块示意图如图1所示。其中脉宽调制架构有三级

5、结构,分别是对输入信号进行前级缓冲放大的输入缓冲级、对输入信号进行脉宽调制的脉宽调制级和半桥式输出级,以上结构就构成了音频信号通道,是整个芯片的核心部分。同时,芯片包含用于支持音频信号通道正常工作的偏置模块,以及用来防止终端用收稿日期:2010-11基金项目:福建省重大科技资助项目(2010H6025),图1 芯片的主要工作模块示意图户误操作导致输出短路的短路保护模块。#32#1 系统工作原理仪表技术 2011年第5期置n,R2,R3的值,即可使得输出电压为零温度系数。实际电路如图3所示,用具有偏置作用的电流镜来代替运算放大器的作用,其中M1M2和M3M5均为相同的对管,则有:VX=VYID1

6、=ID2=ID5=$VBE/R1=VTlnn/R1Vref=VBE5+R2VlnnR1T本文设计的D类功率放大器核心架构采用的是脉宽调制架构,采样模式选择的是双边三角波。将音频信号通过缓冲输入级后输入到比较器的正比较端,比较器的负比较端输入采样信号(双边三角波),比较器将会输出一个脉宽被调制的矩形波。输出的矩形波有着和采样信号相同的频率,只是它的脉宽受到了输入音频信号的调制,并且脉宽与输入音频信号的幅值成反比。将被调制的矩形波用一定的输出级控制电路进行放大,并用低通滤波器滤除包含在矩形波中的高频载波分量,最终可以在低通滤波器的输出端得到放大后的音频信号。为了提高放大器的线性度和达到良好的电源纹

7、波抑制比,需要在设计过程中建立负反馈机制。2 芯片主要子模块本文设计的D类功率放大器的基本子模块包括:具有轨到轨输入级的带有共模反馈的全差分运算放大器,积分运算放大器,高速比较器,双边三角波发生器,带隙基准。本文将对带隙基准和双边三角波发生器的设计做主要介绍。2.1 带隙基准2.1.1 带隙基准基本原理如图2所示,如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下,那么它们的基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比,且有$VBE=VBE1-VBE2=VTlnn。由Vref表达式可知,VBE5和VT分别具有正、负温度系数,只需要适当的选取n,R1,R2的值,就可以使得Vref是一个零温度系数。2.1.2

8、 提高带隙基准电源抑制比图3所示电路中MOS管的沟道长度调制仍会导致显著的电源依赖性,为了解决这个问题,可以在每个电路分支采用NMOS和PMOS共源共栅结构,如图4(a)所示。为保证所有的MOSFET都保持在饱和态,图3 带隙基准核心电路图2 带隙基准的基本原理图如上图所示,VX=VBE1,将VX与VY输入到运算放大器的两端,利用运算放大器/虚短0的特性,使得VY与VX近似相等,因为有$VBE=VBE1-VBE2=VTlnn,可得流经右边的电流为VTlnn/R3,则输出电压为:VTlnnR2Vout=VBE2+(R3+R2)=VBE2+VTlnn1+R3R39VBE其中VBE2具有正温度系数且

9、U-1.5mV/K,9VTVT具有负温度系数且U+0.087mV/K,合理的设(a)增加共源共栅器件改善电源抑制(b)采用自偏置消除外部偏置42011年第5期 仪表技术#33#需要在M3M4,M5M6的基极加上偏置电压。为了避免外加偏置电压V1和V2,引入/自偏置0共源共栅结构,用R5,R6维持适当的电压,如图4(b)所示。 在与电压无关的偏置电路中有一个很重要的问题就是/简并0偏置点的存在。如图2所示电路,若电源上电时所有MOS管均传输零电流,因为环路两边分支允许零电流,它们可以无限期的保持关断。为了解决这一问题,需要在电路中引入启动电路,在电源上电的时候摆脱/简并0偏置点。本设计采用如图5

10、虚线框中所示启动电路,调整R3、R4的值,电路上电时,保证VA<VH,使M12处于截止状态。图6所示的是在外部电压为35V时输出电压的变化曲线,从下到上外部电压依次是3V,3.5V,4V,4.5V,5V。如图所示,外部电压越大输出电压也越大,但是变化很小,外部电压变化了2V,输出电压变化了约310V。由此可见,本文设计的带隙基准对外部电压变化和温度变化都不敏感,输出电压稳定。2.2 双边三角波发生器的设计双边三角波作为采样信号,是脉宽调制架构的一个主要组成部分。为了得到理想的脉宽调制信号,需要三角波采样信号不会有谐波产生。2.2.1 三角波发生器原理图7是三角波发生器的基本原理图。电流源

11、维持电流恒定保证输出三角波的线性度,电压上升阶段,断开开关DOWN,闭合开关UP,对电容进行充电;电压下降阶段,断开开关UP,闭合开关DOWN,电容放电。图7 三角波发生器原理图2.2.2 三角波发生器的整体设计图8是本文设计的三角波发生器整体结构,通过-4图5 带隙基准总的实现电路(不清楚)2.1.3 带隙基准总的实现电路带隙基准总的实现电路如图5所示,包含了上面提到的核心电路,用于提高电源抑制比的共源共栅电流镜结构以及启动电路。2.1.4 电路模拟仿真结果对温度从-55e125e进行温度特性扫描,仿真结果如图6所示,由图示结果可知温度-55e125e,输出的电压值仅仅变化了410-3对高端

12、低端两个电流开关的控制来得到稳定的三角波输出。如图所示,首先用恒流源与电阻产生高低两个电压,并将高低电压分别输入两个比较器的负、正端,两比较器另两端接电容正极板。下面分析电路工作原理,以一个周期为例:1)假设从电压上升阶段开始,开关UP闭合,电容电压开始上升,此时e点为高电平,则c点同样为高电平,比较器B输出高电平,d点为低电平,c点与d点经过异或得到f点为低电平。比较器A输出高电平,a点为低电平,b点同f点为低电平,异或后得到e点为高电平,符合实际。2)当电容电压高于UP电压值时,比较器A输出低电平,a点变为高电平,异或后e点变为低电平,开关UP断开,c点同e点变为低电平,原来d点为低电平,

13、c点与d点异或后f点翻转,变为高电平,开关DOWN闭合,电压开始下降。电压下降到UP电压值以下的时候,比较器A再次输出高电平,a点翻转为低电平,但由于b点同f点已经变为高电平,异或后e点还是保持低电平。3)当电压下降到DOWN电压值以下时,d点翻转变为高电平,异或后f点翻转变为低电平,开关DOWN闭合,b点同f点变为低电平,与a点异或后使e点翻转为高电平,开关UP闭合,完成一个周期的工作流程。CEV,即在-55e-6125e范围内温度系数可以达到2210/e。#34#仪表技术 2011年第5期图8 三角波发生器整体设计图图10 器件的失真度曲线从图9的仿真结果中可以看出三角波发生器输出有良好的

14、一致性,可以满足采样电路的设计要求。表1列出了各个工艺角的输出频率值,可以看出输出频率在各个工艺角的变化均在控制范围之内。图11 在88负载下的效率曲线4 结论本文详细介绍了D类音频功率放大器的工作原理和电路设计,对其中的带隙基准和三角波发生器做了重点介绍。所设计的产品拥有高达90%的效率与低至0.3%的失真度,在效率与失真度方面性能优异,图9 三角波发生器的总体仿真结果表1 三角波发生器在各个工艺角的输出频率值-40eTTTTTTFTTTST271kHz388kHz202kHz25e300kHz429kHz220kHz125e331kHz478kHz244kHz十分符合音频领域的应用要求。参

15、考文献:1Soo-changCho,iJun-wooLee,Woo-kang,eta.lAdegsinofa10-Wsingle-chipclassDaudioamplifierwithveryhigheff-iciencyusingCMOStechnologyJ.IEEEtransactionsoncon-sumerelectronics,1999,45(3):465-472.2毕查得#拉扎维.模拟CMOS集成电路设计M.西安:西安交通大学出版社,2002.3M.T.Tan,J.S.Chang,Y.C.Tong.AprocessandtemperatureindependentinvertercomparatorforpulsewidthmodulationapplicationsJ.Analogintegratedcircuitssignalprocessing,2001(27):95-107.4J.H.Botma,R.J.Wiegerink,S.L.Gierkink,eta.lRai-lto-railconstant-Gminputstageandcla