（微电子学与固体电子学专业论文）cmos音频功率放大器的设计与实现.pdf

摘要 音频功率放大器是功率集成电路的重要组成部分之一，在消费类电子产品中得到广 泛应用。低成本、高品质一直是音频功率放大器所追求的目标。传统音频功率放大器采 用双极型工艺设计，基于良好的双极型三极管特性；c m o s 技术虽具有低成本的优点， 但存在较大的输出管尺寸、驱动低阻抗负载的稳定性和噪声干扰问题，从而限制了酬o s 技术前进步伐。 电路设计考虑到对输出电压摆幅的限制和共模噪声的抑制，采用级联形式的桥式结 构；音频功放模块划分为：输入级、输出级、基准电流偏置模块、热敏关断模块、模式 转换和外部控制模块、“p o p ”抑制电路模块；电路设计采用0 5 u mc m o s 工艺，测试结 果显示：放大器开环增益为6 0d b 、相位裕度为6 5 。、p s r r 为6 8d b 、单位增益带宽 3 姗z 、静态电流小于l om a ，显示出优良的闭环稳定性和抗电源噪声干扰能力；总谐 波失真加噪声低于1 时，4o 负载下实现2 5 w 的额定功率。 本文首先给出四种功率放大器的分析和比较，以及相应的工作原理和优缺点；接着 对c m o sa b 类功率放大器进行详细介绍，根据设计要求给出逻辑电路、版图设计及后端 仿真；最后基于提供的系统应用电路，完成双声道音频功率放大器芯片测试工作。 关键词功率集成电路a b 类放大器总谐波失真单位增益带宽 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 sa ni m p o r t a n tp a r to fp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t sw h i c hi sw i d e l y u s e di nc o 幡u m e re l e c t r o n i cp r o d u c t s a u d i op o w e ra m p l i f i e r sh a v ed r i v e nf o rl o wc o s ta n d h i g hp e r f o r m a n c e m a j o r i t yo fc o n v e n t i o n a lp o w e ra m p l i f i e r sa r ed e s i g n e du s i n gb i p o l a r t e c h n o l o g yo nt h eb a s i so fw e l l k n o w nm e r i t so fb i p o l a rt r a n s i s t o r s a l t h o u g hc m o s t e c h n o l o g yo f f e r sl o wc o s ta l t e r n a t i v e l y , t h e ys u f f e rm a j o rp r o b l e m ss u c ha sl a r g es i z ei n o u t p u tt r a n s i s t o r s ，s t a b i l i t i e so nd r i v i n gl o wr e s i s t i v ea th i i g hb a n d w i d t h ，n o i s ea n ds of o r t h c o n s i d e r i n go u t p u tv o l m g er a n g ea n dc o m m o n - m o d en o i s er e j e c t i o n ，w ea d o p tb r i d g e s t r u c t u r eo fs e r i e sf o r m a u d i op o w e ra m p l i f i e ri n c l u d e si n p u ts t a g e 、o u t p u t s t a g e 、r e f e r e n c e b i a s i n gc u r r e n tm o d u l e 、t h e r m a ls h u td o w nm o d u l e 、m o d es w i t c h i n ga n do u t s i d ec o n t r o l l i n g m o d u l e 、“p o p ”r e j e c t i o nc i r c u i t sm o d u l e i na0 和mc m o st e c h n o l o g yt h es i m u l a t e dr e s u l t s h o w st h a tt h eo p e n - l o o pg a i l ii s6 0d b ，t h ep h a s em a r g i ni su pt o6 5 0 ，t h ep s r ri s6 8 d b ，t h e u n i t yg a i n - b a n d w i d t hi s3m h z ，t h eq u i e s c e n ts u p p l yc u r r e n ti sl o m aa n dr e a l i z e d2 5 w r a t e dp o w e ri n t oa4 0l o a d t h i sp a p e ra tf i r s ti n t r o d u c e sc l a s s i f i e so fp o w e ra m p l i f i e r sa n dt h e i rp r i n c i p l e s 、v i r t u e s a n df l a g s t h e ni td e t a i l e di n t r o d u c e sc m o sa bc l a s sp o w e ra m p l i f i e r , a n dp r e s e n t st o t a l c i r c u i t s 、l a y o u td e s i g n sa n ds i m u l a t i o n s f i n a l l y , i ts u p p l i e ss y s t e ma p p l i c a t i o nc i r c u i t sa n d c o m p l e t et h ec h i pt e s tw o r ko fa u d i op o w e ra m p l i f i e r k e y w o r d s ：p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s t b t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n c l a s sa b a m p l i f i e r u n i t yg a i n b a n d w i d t h 图目录 图ia 类放大器结构简化图和输出特性曲线 图2m o s 管n 1 波形 图3b 类放大器简化图和转移特性曲线图 图4 不同幅度输入信号条件下的输出波形 图5 双极型a b 类放大器 图6 基本的d 类功率放大器结构图 图7 脉冲宽度调制( p 删) 的过程波形图 图8 脉宽调制输出经过l c 低通滤波前后的波形 图9 单端模式和双端模式结构简化图 图1 0 桥式结构简化图 9 1 0 1 1 1 2 。1 4 图1 1 芯片主版电路系统方框图 图1 2c m o s 互补源极跟随器输出级结构。 图1 3 带有误差放大器的共源输出级结构 图1 4 图1 3 中所示的小信号模型 图1 5 采用静态电流控制的a b 类0 4 0 s 放大器电路框图 图1 6l s d 模块电路简化图和交流小信号等效电路。 图1 7 共漏共源组合输出级结构 1 5 1 8 。1 8 。1 9 。2 1 2 1 。2 2 。2 3 2 4 2 5 2 5 。2 6 。2 7 2 7 图1 8 改进摆幅型共漏共源组合输出级 图1 9 平行共源输出级结构 图z 0 本文功率输出放大器结构 图2 1 两级电压放大器的电路逻辑图 图2 z 放大器开环增益和相位裕度 图2 3a b 类共漏输出级电路的逻辑图一 图2 4 准b 类互补共源放大器电路逻辑图 图2 5 带启动电路的基准偏置电流电路 图2 6 基准p t a t 电流随电源电压变化电流 图2 7 热敏保护关断简化电路和仿真结果 图2 8 简化控制模块 图2 9 单桥耳机工作模式转换原理图 图3 0 桥式模式与单端模式输出“p o p ”噪声抑制的比较 图3 1v d d 2 的产生电路 图3 2p s r r 幅频特性曲线 图3 3c m o s 反向器剖面结构和寄生双极型晶体管等效电路 图3 4 简单的e s o 保护 图3 5 采用保护环来保护敏感电路 2 9 2 9 3 1 图3 6 音频功率放大器电路版图一 图3 7 输入频率为5 k 时4 q 负载两端电压波形。 图3 8 输入频率为1 5 k 时4 0 负载两端电压波形 图3 9 热敏关断曲线一 图4 0 芯片d i p 封装管脚图示 3 4 3 6 3 7 3 8 3 8 4 0 图4 l 扬声器桥式模式4 1 图4 2 立体耳机单端模式4 l 图4 3 不同频率输入信号下4 f 2 负载两端电压波形( 增益为1 ) 图4 4 开环电压增益，相位裕度，桥式和单端的p s r r 图4 55 v 电源不同负载下的t t t d + n 图4 63 v 电源4q 负载下的t s d + n 和随输出功耗变化的t h d + n 表目录 表1 不同的旁路电容值及对应的开启时间 表20 5 u ms i 栅c m o s 双阱双层多晶硅双铝工艺版图层表 表3 芯片封装管脚说明 表4 芯片功耗测试结果 4 3 4 3 3 0 3 4 4 1 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 垄厶鑫盆日期：= 2 ：! 三：! ? 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州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，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：1 醚盘垒导师签名：红竺鱼日 兰州大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章引言 音频功率放大器是消费类电子产品中应用最广泛的组件之一，成为w a l k m a n 、c d p l a y e r 、m p 3 h 忙1 4 、播放器、笔记本台式计算机、便携式d v d 播放器等不可或缺的部 分。在与声频、视频相联系的消费类电子产品和人的听觉联系纽带中音频功率放大器起 着不可替代的作用，有着广阔的应用市场和巨大的研究价值。 本论文主要讨论应用于多媒体监控系统，便携台式计算机，便携式电视等低压低 功耗消费类电子产品中所使用的扬声器和耳机小功率驱动电路芯片，要求具有良好的输 出稳定性和抗噪声干扰能力。 目前高保真音频功率放大器的基本电路形式为a 类和a b 类放大器。相对于a 类放 大器来说，a b 和b 类推挽放大器效率较高、功放晶体管功耗较小，散热问题容易解决等 优点。a b 类放大器在高保真音响系统等对于音质要求较高、对效率有一定容忍度的应用 中占有统治地位。d 类放大器虽然效率远高于a b 类，但存在成本高、技术复杂、响度小 等因素，其主要应用于便携式设备系统中，充分发挥其节能的特点，在音质方面目前还 不能与前者相比。同传统的双极性工艺功率放大器相比，c m o s 输出级的负载驱动能力和 频率特性是设计时主要考虑的课题。 1 2 音频放大器重要参数 1 电源纹波抑制比( p s r r ) 1 电源纹波抑制比( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t e ) 是指音频放大器的输入测量电源 电压的偏差耦合到一个模拟电路输出信号的比值。p s r r 反映了音频功率放大器对电源的 纹波大小的要求，p s r r 值越大越好，音频放大器输出音质就越好。 2 最大输出功率( p o c m ) 输出功率反映音频功率放大器的负载能力，通常音频放大器厂家会提供产品的在一 定工作电压和额定负载下的最大输出功率。芯片的效率在不同的条件下肯定也不相同。 3 关断电流( s h u t d o w nc u r r e n t ) 关断电流越小，说明在待机条件下的放大器功耗小。输出偏移电压小有利于电池寿 1 兰州大学硕士学位论文 命的延长。 4 总谐波失真加噪声( t h d 十n ) 2 失真是指对于某电路模块其输入信号与输出信号在幅度上，相位上及波形形状产生 变化的现象。按性质分，有非线性失真和线性失真，通常用谐波失真来表示非线性失真 ( n o n l i n e a rd i s t o r t i o n ) 的程度。谐波失真是指信号通过电路中非线性元件产生了新 的频率分量( 谐波) 对原信号形成的干扰，即波形发生的畸变。 总谐波失真( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 是指用信号源输入时，输出信号( 谐 波及其倍频成分) 比输入信号多出的额外谐波成分( 通常用来表示) 一般说来，i k h z 频率处的总谐波失真作为大部分产品的失真指标，该值越小越好。 噪声发生是一个随机过程，它的大小在任何时候都不能被预测。但在很多情况下， 噪声的平均功率还是可以被预测的。我们通常需要把几个主要噪声源的影响相加来获得 总噪声，得到我们关注的平均噪声功率。 在实际测试数据或各类标准中采用，我们用t h d + n ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n + n o i s e ) 来作为衡量保真度的评价指标，指标中“州”表示了在考虑保真度的同时也对噪 声进行了考虑。 i 3 课题的基本要求 对于功率放大器的基本要求如：较小的非线性失真，较大的电流驱动能力及较好的 电源效率等3 。另外由于此电路主要应用于便携式电子产品，低功耗、稳定性，抗干扰 能力也必需考虑。本文所设计音频功率放大器具体技术指标如下： ( 1 ) 双桥模式驱动4 q 扬声器负载、或处于单终端模式驱动立体耳机( 标准值3 2 0 ) ； ( 2 ) 芯片电源电压范围2 5 v - 5 5 v ； ( 3 ) 输出功率在范围2 0 m w - 2 5 w ； ( 4 ) 静态功耗小于l o m a ； ( 5 ) 电源电压抑制比大于6 5 d b ； ( 6 ) 总谐波失真加噪声t h d + n 小于1 ； ( 7 ) 封装采用d i p 封装或s o i c 封装。 本论文所给出的设计基于美国国家半导体公司、德州仪器、意法半导体、安森美公 司系列产品，面向国内市场，所做目的就是为了替代前面公司产品，并进一步提高产品 性能。 2 兰州大学硕士学位论文 1 4 论文结构 论文的总体结构如下：引言说明音频放大器应用、设计需考虑的方面及参数、以及 本论文中设计的具体要求；第二章给出音频放大器主要结构分析和说明；第三章详细说 明c m o sa b 类放大器的具体设计，并给出本论文的实现电路和仿真结果。第四章提供整 体芯片所需的辅助电路：基准电流模块，热敏保护模块，模式转换和外部控制模块，“p o p ” 声抑制模块；第五章给出芯片电路的版图设计，规则检查问题，以及后端仿真结果：最 后给出芯片的应用系统和功能实现，芯片的测试结果。一 兰州大学硕士学位论文 第二章音频功率放大器系统结构与实现策略 2 1 音频功率放大器的基本概念 音频功率放大器，实现音频信号功率的增强。 随着半导体器件的出现和电子技术的飞速发展，为适应不同的应用场合，出现各种 类别的音频功率放大器。这里我们只对主流的四种基本类型( a 、b 、a b 、d 类放大器) 加以介绍。本章为方便说明，电路均采用幅度相等的正负双电源。 2 1 1a 类放大器 a 类放大器也称为甲类放大器，静态工作点选在负载线的中间，在输入信号的整 个周期内电流连续地流过所有输出器件，工作期间不产生开关失真和交越失真，处于良 好的线性工作状态。但电路效率较低，功率输出管的发热量很大，电路的安全性和可靠 性设计存在问题。在理想情况下，a 类放大电路的效率最高只能达到5 0 。 当然，这类放大器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 是一种优质的线性放大器，良好的声音表现能力。 a 类放大器结构可称作为压控电流源模型( v c c s ：v o l t a g ec o n t r o l l e dc u r r e n t s o u r c e ) ，本质上是一个单独的源极跟随器。简化电路图如图1 。 大信号转移特性： v d 0 。i 矛 v 珈州h l v d d + v o v 2 十v m 7 l v d u + v t lv i m l 截正区 i 口轧 竺缝： 一v d d + v o v 2 一v 叩 图1a 类放大器结构简化图和输出特性曲线 4 兰州大学硕士学位论文 k - v o + p ；l p ；+ k + v o r l ( 2 1 ) 小信号增益特性： 一z o 。 呈! 鱼 ( 2 2 ) k1 + ( g 。+ g b ) r l 在随负载变化的传输特性曲线中，随着r 。增大，输出最低电压升高，输出摆幅降低。 图2 给出输入输出波形( 电压，电流) ： ( 舯辩强一触搬t b f r 被彤 h ，赫磺r 扎娩鹱形 r r ) 灏 敞热被形 图2h o s 管n l 波形 音频功率放大器的应用中，a 类放大器的主要缺点在于出现没有信号输入或者只有 间断的音频信号输入而处于等待状态时有相当大的功率损失；第二，功率损耗的热能将 使得器件的工作温度上升，破坏电路性能，甚至损坏电路器件。 2 1 2b 类放大器 b 类放大器也称为乙类放大器，其中功率器件导通时间不再是输入信号的整个周期， 而是半个周期。在没有信号输入时，功率损失为零。工作原理就是把a 类放大器静态工 作点q 下移，使输入信号为零时电源输出的功率也等于零；输入信号增大时电源供给的 功率也随之增大，这样电源供给功率和管耗都随着输出功率的大小而变，也就提升了甲 类放大时效率低的状况，完全输出理论值为7 8 6 ”1 。 b 类放大器的较为典型的集成电路的实现采用双极型工艺，简化原理图如图3 。该 电路即所谓的互补式输出级，p n p 晶体管为衬底p n p 管。 首先给出电路的转移特性曲线如图所示。当v i 为零时，v o 也为零，此时两管都截 止。随着v i 的正向增大，q 1 基极和发射极间电压p k 也增大，直到大于圪( o i l ) 时q 1 中 5 兰州大学硕士学位论文 才会有电流流过。这时v o 约等于零，呈现射极跟随器的特点，故随着v i 的增加v o 线 性增加。当v i o 时，q 2 基极和发射极之间的电压为反向偏置而使得q 2 截止。 v o 。 m 神 伸o - y c e ( d a t )一厂一 ：o l 导m 0 2 1 。 i 和啦导叠l 畸 a o n ) y - v d d - v c e ( d a t ) 图3b 类放大器简化图和转移特性曲线图 v i 的继续增大最终会使q 1 达到饱和状态。如果v i 负向变化也会有类似的结果，q l 由于反向偏置而截止，q 2 呈现射极跟随器的特点。 在转移曲线中以v i = o 为中心，有一个宽度为2 v b e ( o n ) 死区。这个死区对于b 类放 大器是普遍存在的，从而会导致交越失真。如图所示不同幅度的正弦输入信号的输出波 形。随着输入信号幅度的增加，失真相应减弱，死区也消耗了一小部分信号幅度，但同 时可能会出现非常严重的平顶失真 2 1 3 佃类放大器 图4 不同幅度输入信号条件下的输出波形 a b 类放大器也称为甲乙类放大器，实际上是a 类和b 类放大器的结合。每个输出器 件的导通时间在5 0 一1 0 0 之间，其依赖于偏置电流的大小和输出电平；也可以理解为 没有信号输入时功率管已经导通，但对负载没有输出功率。该类放大器的偏置按b 类( 乙 类) 设计，然后增加偏置电流，使放大器进入a b 类( 甲乙类) 。a b 类放大器在输出高于 某一电平时，两个输出器件其工作状态属于a 类( 甲类) ；当电平降低时，两个器件将完 6 兰州大学硕士学位论文 全截止。此类放大器虽然减小了静态功耗，提高了效率，但在状态开始时，失真将会突 然上升，其线性劣于a 类( 甲类) 或b 类( 乙类) 。 v i 图5 双极型a b 类放大器 关于c m o sa b 类放大器下章节给以详细分析。 2 1 4d 类功率放大器 d 类音频放大器6 是以离散时间放大器设计思想为基础，它的研究己有近半个世纪， 直到1 9 7 0 年金属氧化物半导体场效应管出现后，实现了高性能的开关器件，这才开发 出宽频带d 类音频放大器。d 类音频功放不同于a 类、b 类和a b 类工作方式，它采用切 换电压方式利用p w m 信号控制导通时间以放大信号。该类放大器输出级的工作状态在完 全导通和完全截止两状态间转换，因此输出器件的功耗甚小。由于d 类功放利用晶体管 快速切换的开关特性，以开关方式把模拟音频信号进行脉宽调制( p 删) ，使其效率远高 于其他类功率放大器。 d 类功放的最大优势在于其电源功率转换效率，理论上可以达到1 0 0 。意法半导 体公司的t s 4 9 6 2 型号d 类放大器转换效率已经达到8 8 ”。与a b 类放大器相比，d 类放 大器需要更小的电源电流，因此具有更长的电源使用时间或者更低的电源使用成本；另 外，d 类放大器更低的发热量使得更小的封装成为可能，同时去掉了a b 类放大器中所 使用的降温设备。基于这两个优点，对于消费类电子来说，d 类功率放大器的高效率成 为最好的选择。如下图所示为基本的d 类功率放大器结构图6 。 7 兰州大学硕士学位论文 下： 扬 言 薯 图6 基本的d 类功率放大器结构图 d 类音频功率的控制芯片设计采用p w m 技术。脉冲宽度调制7 ( p w m ) 的过程波形图如 a u d i oi n p u ts i p s l 2 5 0 k i kt r i a n g l e o n o 口- l n v e r t i n go u t p u t i n v e r t i n go u t p u t 图7 脉冲宽度调制( p w m ) 的过程波形图 p w m 输出由输入频率，开关频率和开关频率加边频带的谐波构成。通过l c 低通滤波 器把开关频率及开关频率加边频带的谐波的高频信号滤除，仅保留调制音频信号部分， 用以驱动扬声器。图7 显示脉宽调制输出经过l c 低通滤波前后的波形。 8 兰州大学硕士学位论文 图8 脉宽调制输出经过l c 低通滤波前后的波形 从d 类功放的工作原理看，在信号处理上不存在失真，因为通过p 嘲技术己将音频 信号的幅度变化转变成等幅脉冲的脉冲宽度变化，音频信号的所有信息都包含在脉宽变 化上，即使波形有所畸交也可通过波形校正电路进行校正，以保证还原后音频信号不失 真，不存在任何的失真问题。 但在实际中发现d 类功放的保真度远远逊色于a 类及a b 类功放。我们对其工作原 理及使用器件加以分析，可以发现从音频信号的脉宽调制到功率音频信号的输出的每一 个环节都可能产生失真。下面分类给出其中危害最大交越失真说明。 ( 1 ) p w m 调制与交越失真；在音频信号的脉宽调制电路中，由于输入音频信号波形的 不规则性、不对称性，常需要将时间轴上方的波形和时间轴下方的波形分别进行脉宽调 制，虽然不需要考虑矗b 类功放的偏置电压，但同样需考虑推挽管在交替导通时必须有 一定的时间间隔，否则会出现两只功率管的直通现象，所以这种电路本身也存在死区。 既然有死区，就不可避免地会产生交越失真。 ( 2 ) s p w m 调制与交越失真：将一个正弦信号直接与一个三角载波比较，可得到p 丽 信号，该信号通过驱动电路去驱动全桥或半桥电路，在正负半周的交界处有较为明显的 空档，说明p 咖信号的有些脉冲在经开关的死区时间时丢失了。一般来说，功率管的额 定功率越大，最高开关频率就越低。音频信号幅度很小时，调制后对应的脉冲很窄，功 率管没有足够高的开关频率，则无法将其分辨出来。信号幅度越低，p 删脉冲就越窄i 交越失真越严重。 ( 3 ) 交越失真与动态范围：p 嘲型功放交越失真的大小，在很大程度上取决于功率输 出电路。在功率输出电路频率特性定下来后，交越失真的改善就比较困难。不仅如此， 由于嗍信号的脉宽代表音频信号的幅度，脉宽的变化范围代表信号幅度的变化范围( t i p 动态范围) ，因而p i 瓢, i 信号最大脉冲宽度与最小宽度之比表示功放的动态范围。整机的 交越失真越大，功率管能够处理的最小脉冲宽度就越宽，动态范围越小。其次，功率输 出电路和扬声器之间用一只输出低通滤波器把音频以外的成份滤除，让音频信号进入扬 声器，但不可能彻底滤除脉宽调制的载波。 最后，d 类功率放大器中调宽脉冲的频率是固定的，无用分量的功率谱是集中在载 频两侧狭窄的频带内，因此，功率密度很高，从而加大了对输出低通滤波器的要求。同 时它产生的e m i 也较严重。所以d 类功率放大器同样必须兼顾到效率、e m i 干扰和音乐 保真度的等各项功能。 兰州大学硕士学位论文 2 2 功率放大器与电压电流放大器的比较 ( 1 ) 本质相同 功率放大器主要输出较大的功率，而电压电流放大器主要用于增强电压幅度或电 流幅度；但无论哪种放大器，在负载上都同时存在输出电压、输出电流和输出功率，从 能量控制的观点来看，放大器实质上都是能量转换。因此，功率放大器和电压放大器没 有本质的区别，称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。 ( 2 ) 任务不同 功率放大器在电路中的主要任务是使负载得到放大了的不失真( 或失真较小) 的输 出功率。电压电流放大器的主要任务是使负载得到不失真的电压电流信号，输出的功 率并不一定大。 ( 3 ) 指标不同 功率放大电路的主要指标是功率、效率、非线性失真，而电压电流放大器的主要 指标是电压电流增益、输入和输出阻抗 ( 4 ) 研究方法不同 在分析功率放大器时，我们使用图解法；而对于电压电流放大器，我们则要将图 解法与等效电路法结合起来对其进行分析。 2 3 系统模式选择 对于同一个输出级功率放大器有单终端模式和桥式模式两种连接设计方式8 。首先 给出单端模式和双端模式的结构简化图9 ： v i v i 图9 单端模式和双端模式结构简化图 双端模式的优点首先是减少了输出耦合电容；第二，较大的输出电压范围，在相 同负载条件下得到更大功率。第三，桥式模式能有效抑制共模噪声。在桥式输出结构的 “+ ”、“一”两端产生的相同冲击通过扬声器负载后相互抵消，不对扬声器做功，因而 不会发出“p o p ”声。这种结构对于上电、掉电噪声以及操作噪声都有很好的抑制作用。 1 0 兰州大学硕士学位论文 双端模式大体上采用如图l o 两类桥式结构。 v i 4 1 n i “ 图1 0 桥式结构简化图 图1 0 左边电路在同一个输入信号下，p a m p i 和p a m p 2 单元网络的增益大小相同 ( g a i = 一r 2 r 1 = 一2 ，g a i n 。= l + r 5 r 4 = 2 ) ，相位保持相反( 相差1 8 0 度) 。单个电 阻的精度误差通常为3 0 ，但在同一个芯片内，这种偏差朝同一个方向，如果设计恰 当，电阻比值的精度可以保证在1 以内。p a m p i ，p a m p 2 的d c 参数也同样朝同一个方 向偏差，所以在“+ ”、“一”输出端可以很好地抵消共模信号。 图1 0 右边电路则采用级联形式，前一级的输出信号进入下一级的“一”输入端， p a m p i 单元网络的增益g a i n u c x = 一r t r 6 = 一l 。实际上，p a m p 3 的输出经过p a m p 4 反向后 会有一定的延时，在“+ ”、“一”输出端并不能完全抵消。p a m p 3 的失调电压等支流误 差信号会在p a m p 4 中复制，并与p a m p 4 的失调电压一起送到“+ ”端，而无法与“一” 端完全抵消。因此这种结构抑制“p o p ”声的效果略差一些，通常用在小功率器件中。 因为工艺误差的存在，并联形式同样存在此问题。 2 4 电路系统方框图 根据前面分析给出的电路功能我们首先给出芯片主版电路系统方框图1 1 ： 兰州大学硕士学位论文 图儿芯片主版电路系统方框图 其中主要包括功率放大器，基准电流源部分，热敏关断保护电路，p o p 抑制电路和控制 电路五部分。各部分电路设计将在后面章节中给出。 1 2 兰州大学硕士学位论文 第三章c m o sa b 类放大器的分析与设计 我们可以利用下面这个原理设计很多有用的模拟电路和系统：放大器如果具有足够 大的开环增益，在加负反馈时闭环传输函数与放大器的增益几乎无关。对于所有的模拟 音频放大器系统框架中首先是实现音频信号电压的放大，再实现信号功率的放大。多数 c m o s 功率放大器都采用两级或多级增益“，前面几级必须实现一个足够大的开环增益 以符合负反馈的概念，同样必须考虑相位裕度和单位增益带宽；相对来说输出级电流放 大部分是最大的难点。但同时也必须考虑多级c m o s 放大器工作稳定性的设计。通过 提高放大级的输出阻抗能够提高增益，又必须考虑输出电压摆幅的限制。从来没有完美 的电路设计，只有针对实际需要采取折衷的设计。 一个良好的放大器输出级必须满足很多的特殊要求，其中最重要的是在可接受的信 号失真条件下为负载提供设定的输出功率；另外，必须尽量减小输出阻抗，使电压的增 益不受负载阻抗的影响；还有，在没有信号输入时保证较小的静态功耗，而且不能成为 放大器频率响应的主要限制因素。 因为双极型晶体管出众的输出电流特性，在输出级电路中是推荐使用的器件，但与 主流工艺c , t 0 s 相比实现片上集成会增加较多的成本。现在模拟音频功率放大器和数字 音频功率放大器均采用c m o s 工艺，存在通态电阻大的问题。本章针对c m o sa b 类放大 器进行讨论。 3 1 共漏级输出级结构 图1 2 给出基于传统双极型结构的c m o s 互补源极跟随器输出级结构，由k v l 有 v 西+ v 茚= v 芦l + v 簖 ( 3 1 ) 如果通过m a 的偏置电流是常数，则v 5 9 4 + v 西是常数。因此，随着v 萨l 的增加v g s 2 反而减少，反之亦然。同时可以发现当v o = o 时，m 1 。m 2 都要传输非零的漏极电流， 这就是a b 类输出级的一个特性。v o = 0 时，由b = i m 有 跞+ j 撬一揣+ 愿珐 仔z ， 1 | 砖眇三) ，。v 七：) 。v 疋缈工) ，。1 缈l ) ： 7 其中，d ：一一，j l 化简上式得 兰州大学硕士学位论文 ，d 1 叱! 巫1 巫：亚巫1 1 仔。， k 喝嚣 仔3 ) o 砾而i + 硪丽了 图1 2 伽s 互补源极跟随器输出级结构 下面给出图1 2 电路和类似双极结构的输出最大电压表达式，并给出两者 中之间存在的差别。 一一，一，一一i ，l 以， 一o 一圪( 。) 3 一- ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 棚嘏电压，基极一发射极电压，p 0 为m o s 管的过驱动电压，圪) 为集电极发 射极饱和电压。上面两式看起来非常的相似，但仔细分析就可以得出在相同电源电压下， c m o s 型比双极型输出摆幅小很多。首先，栅源电压包括一个在基极一发射极电压中不存 在的阈值电压；其次，由于衬底效应，v o 增加时，阈值k ，随之增加；最后因为栅源电 压与输入电流的平方成正比，而基极一发射极电压与输入电流的对数成正比。所以输入 电流的增加，栅源电压的过载部分的曲线比整个基极一发射极电压部分都要陡峭。在实 际中，输出电压的振幅会随着输出装置w l 比增加而增加，以减轻它们的过载。然而 在高频时，过大尺寸晶体管与输出装置之间的寄生电容将不可忽视。 1 4 兰州大学硕士学位论文 3 2 带有误差放大器的共源输出级结构 如图1 3 所示结构中使用共源晶体管和误差放大器来替代源级输出器廿，这种组合类 似于具有大的直流跨导的源极跟随器。其中放大器的作用是检查输入和输出之间电压的 差异，再驱动输出晶体管使得这种差异尽可能小。该结构通过负反馈特性来理解的话最 大优点就是减小输出电阻。 钢击 图1 3 带有误差放大器的共源输出级结构 为了计算输出电阻，考虑图1 4 中所示的小信号模型： 其中电流f 为： 图1 4 图1 3 中所示的小信号模型 。生+ 旦+ g 。1 a v ，+ g 。2 a v ， r m 整理此式求解r o 为： 耻爿。志肛0 1 i ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 1 5 兰州大学硕士学位论文 从上等式可以看出增大误差放大器的增益a 就会使r o 减小，并且因为负反馈的作 用，r o 比p 1 和n 2 之问的漏源之间的电阻要小的多。 我们假定七；嘞吒审：列晕和叱叱坼可以推导出负载为r 。的v o 的表达式 优一v o s e + v o x v v o 一 2 l + 七w a 2 v o r 一4 ( p 幺，一y & 。) 1 ( 3 - 8 ) 实际应用中只要p l ，n 2 工作在放大区，上等式便成立。如果输出电压幅值足够大， 两个输出晶体管之一将会截止。例如，当w 增加时，坳也增加，但是增益略微要小一 点，因此输入到放大器的差分信号都将减小，和2 也将减小；这些变化导致j ，t 增 加，但是j d ：会减小，而且只要m 足够大，n 2 将截止，p l 处于放大区。对于p i 截止， n 2 处于放大区的转移特性曲线只要假定k = 0 ，并重复上面的讨论即可。 3 3 静态电流设计 应用准互补结构的最初目的是增大输出信号的摆幅，实现原理是输出晶体管的阈值 电压没有限制输出摆幅。但是也存在两个问题：首先，放大器必须有很大的带宽以防止 高频输入时出现交越失真。然而随着带宽的增加，放大器边缘的稳定性将变差，特别是 有较大的容性负载。其次，在误差放大器中的非零偏置电压改变了在输出晶体管中的静 态电流。从设计的角度考虑，选择足够高静态电流可以将交越失真限制在可以接受的水 平，但会增加功率的损耗，降低输出信号的摆幅4 。因此选择合适的静态电流也是设计 的一个关键问题。 控制静态电流设计中有两种考虑：一种是限制静态电流变化的方法是将放大器设计 成低增益。原理就是因为静态电流受到输出晶体管栅一源电压的控制，而此电压由误差 放大器的输出来控制。因此，减小误差放大器的增益也就减小了栅源电压的变化以及 给定失调电压的变化量时的静态电流。另外一种控制静态电流的方法观察输出电流并将 其反馈回来，这种需要额外的辅助电路。 3 3 1 准互补结构中放大器增益的选择 我们首先给出第一种方法的定量研究”，定义在输出设备上的静态电流i 。为v i = 0 1 6 兰州大学硕士学位论文 时从v d d 流同一v s s 的电流的共梗部分。 如一学一等詈叫鳖笋) 】2 ( 3 - 。) 定义a ，口为非零失调电压引起的，口的变化，即 ，。- ，口 一一如暑了k 了w 彳一) ，一彳芦争】( 3 - 1 0 ) v o c n = 0 二l 二 为了比较，口的幅值，将他和零偏移产生的静态电流相比较 面a t a 叫专等肌爿c ， 如果 a o 一) 4 v o ， ( 3 - 1 2 ) 则有 面a q 一彳岛 浯 因此，为了保持静态电流的波动小于一个给定的数值，误差放大器的增益的最大值 是 一t 瓦v o v t 了崩a q ( s 州) 与共漏的情况相比，共源输出极最主要的优势在于它可以增加输出的摆幅。然而， 共源结构会加大谐波失真，在高频时更为严重。主要原因有两个：首先，误差放大器的 带宽通常为避免出现稳定性的问题而受限；其次，放大器的增益为能够完全控制静态输 出电流而受限制。 3 3 2 控制静态电流实现 如图1 5 给出a b 类r a i l t o r a i lc m o s 放大器电路”实现的结构之一，该电路采用 双电源，电源电压为1 5 v ，可以得到3 v 输出电压，7 m a 的最大输出电流，同时存 在1 4 0 u a 的静态电流。 1 7 兰州大学硕士学位论文 v 0 t - r 圈1 5 采用静态电流控制的a b 类c - m ( b 放大器电路框图 电压放大器4 提供分离的双相信号来驱动输出级，包括为负载提供电流源的高端 电路i - i s d 模块和为负载提供电流沉的低端电路l s d 模块；其中功率器件m 。和m , o 采f f j 共源结构给出接近电源的输出电压；同时输出级连接源极跟随器结构；共模反馈电路模 块c m f b 检测输出级电流，采用闭环反馈网络得到较低输出电阻的同时确保驱动级工作 在a b 类。 我们以l s d 部分为例来说明小信号输出电阻的变化情况，如图1 6 中给出l s d 模块 电路简化图( a ) 和交流小信号等效电路( b ) 。 图1 6l s d 模块电路简化图和交流小信号等效电路 小信号输出电阻为： 1 8 兰州大学硕士学位论文 胎= 一面彘丽1 ( 3 - 1 5 )i |g m t + g m t r 0 2 9 l ，l d g _ 1 f q + gm ，0 0 其中v t 为测试电压，t 为测试的响应电流，g 。，为m 的跨导，r o ：为电流源1 2 的输出电阻，g 。为m 。的跨导。应用负反馈后输出电阻存在一个很大的减少因子 ( 1 + g 。：) ；同理对h s d 电路模块有着类似的交流直流分析结果。最后整体电路的输出 级闭环输出电阻为： 一半蔓赢面1 洚岛 3 4 共漏共源组合输出级结构 为了解决3 3 1 章节最后提到的问题，可以选用如图1 7 所示的共漏共源组合结构 1 4 ，坩。这类电路的主要特点是使用了两个缓冲器来连接输出端：一个是a b 类共漏缓冲 器( m l ，m 2 ) ，一个是b 类准互补共源缓冲器( m 1 1 m 1 2 和误差放大器a ) 。当输出振幅 较大时共源输出级起主要作用，当输出为零时共源输出级截止。另一个是共漏输出级控 制着输出静态电流并控制频率响应。 图1 7 共漏共源组合输出级结构 由k v l 有 v o k + y 二4 一p 二1 如果k 。一k ：，这方程可以改写为 v o ；k + r 4 一p o l ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) 1 9 兰州大学硕士学位论文 当被调整到v i = o 时，如果v o ，。一v o 则有v o = o 。由过载电压的表达式 一一k 一茄葛 。9 ) 可以得出 业翌! 墨b ( 3 2 0 ) ( 矽l ) 2 缈l ) 5 此时，k - 一。且，o ，设置。，k ，。和。，k 。：，则使m 1 1 ，m 1 2 则使 m 1 1 ，m 1 2 截止。由此可得静态输出电流由共漏级和它的偏置电路控制。 从使v l = o 的值开始减小时，v l 增加，v o 也增加，当r l 为有限时，电压增益超 过1 。因此，v r v o 增加，v 拳1 l 和v 芦1 2 都减小，最终使m l l 导通，m 1 2 截t p _ 。m n 导通后 i d l 和ii d l l i 都随v o 增加而增加，直到，- v , ，达到最大值。当共源部分的输出摆幅大于 共漏部分的输出摆幅时，达到最大值。随着超过这个点，ii v l l p 者加，但i d l 减小，共 源级起主要作用。 给出图1 7 中所示共漏级的最大输出聒 v g - v , + 一i ，f 一4 ( 3 2 1 ) 上式给出的正向输出摆幅大于共漏输出级的正向摆幅，原因是t 。图1 7 所示的 结构可以作为增加输出摆幅的电路设计。 最后定性的考虑图1 7 所示电路中的频率响应问题。这种电路从v 1 到输出有两个通 路，因为要确保电路的稳定性，所以有必要限制误差放大器的带宽。但这导致共源晶体 管m 1 1 和m 1 2 的通路可能会变慢。另一方面，源级跟随器是高带宽电路，所以通过共漏 晶体管m 1 和m 2 的通路会变快。因为共漏和共源部分的电流相加通过负载产生输出电 压，快的通路将会在高频信号部分起主要作用，也就是所谓的前馈技术。它减小可能被 低速误差放大器所引入的相位变化。，从而简化保证稳定性的设计并减少高频信号的谐 波失真。 共漏共源组合输出级电路的最大输出聒主要受限于k 。因为衬底效应，阈值电压 形会随v l 和v o 的增加而增加；负向摆幅有类似的结果。如图1 8 所给出改