（测试计量技术及仪器专业论文）高效率、低失真的d类音频功率放大器.pdf

摘要 半导体技术的进步重新唤起了人们对d 类音频功放的兴趣，尤其体现在便携 器件等消费电子产品中。 本文对双声道d 类音频功率放大器进行研究，通过使用双边自然采样控制四 个状态功率输出开关的脉宽调制技术极大降低了静态功耗，从而将低输入状态下 的芯片的效率提高n 9 0 。同时将谐波失真降至0 0 3 并且通过独特的二阶反馈 环路增大系统带宽，使系统在2 0 赫兹j ! l j 2 0 0 0 0 赫兹的音频范围内具有平坦的响应 曲线。 就此本文主要开展了以下研究工作： 1 综合考虑器件成本和性能的要求，选取了现代公司的0 6 u m 线宽标准工艺，在 保证合理的成本和芯片面积的前提下得到最优化的效率以及相应的输出功率性 能。通过对输出级电路分析计算，确保芯片在该工艺条件下的运行安全性。 2 深入分析计算了以往各种采样技术的特点，设计了双边自然采样控制四个状态 功率输出开关的脉宽调制技术作为d 类音频信号调制器的核心技术，提高了系统 线性度，极大降低了系统静态功耗。 3 设计独特的二阶反馈环路增大系统带宽。建立传递函数模型，通过m a t l a b 分 析系统的线性与稳定性。通过s i m u l i n k 仿真，计算出系统的失真度。 4 设计并全差分结构的运算放大器作为组成音频信号调制器的核心放大器，以得 到更高的集成度，并且不需要使用输入耦合电容对。设计轨到轨的高反应速度的 比较器作为脉宽高制信号发生器，从而将信号相移最小化，同时保证系统的稳定 性。 5 完成包括d 类音频调制器以及功率输出级在内的整个器件的所有具体电路设计 与仿真验证；完成了器件的版图设计、后端生产以及性能测试。所得到的产品在 拥有高达9 0 的效率与低至0 0 3 的失真度，在效率与失真度方面性能优异，十分 符合音频领域的应用要求。 该d 类音频功率放大器的性能良好，拥有极高的效率以及低失真，同时还拥 有占空间小，成本低的优势，适合于手机等便携式消费电子产品的音频应用，在 国内处于领先地位，具有广泛的市场前景。 关键词：c m o s ；d 类音频；功率放大器 a b s t r a c t r e c e n ta 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 yh a v er e n e w e di n t e r e s ti nc l a s s d a u d i oa m p l i f i e r s ，e s p e c i a l l yf o rp o r t a b l ed e v i c e s ，a n dc o n s u m e re l e c t r o n i c s 【l 】 t h i sp a p e rp r e s e n t sas i n g l e c h i p s t e r e oc l a s sda m p l i f i e rw h i c hu s ea d o u b l e - s i d e dn a t u r a ls a m p h n gc o n t r o l l e dq u a r t e n a r yp u l ew i d t hm o d u l a t i o ns c h e m et o a c h i e v ev e r yl o wq u i e s c e n tc u r r e n t , s ot h a tw ec a ni m p r o v es y s t e me f f i c i e n c ya tl o w i n p u tt o9 0 a tt h es a m et i m e ，l o w e rt h et h d t o0 0 3 f u r t h e r m o r e , u s es p e c i a l d e s i g n e ds e c o n do r d e rf e e d b a c kl o o pt ow i d e ns y s t e mb a n d w i d t h , s ot h a tw e c a ng e ta f l a t b a n dr e s p o n s eb e t w e e n2 0h za n d2 0k h z t h e p r i m a r yw o r ki nt h i st h e s i si sl i s t e da sf o l l o w ： 1 c o n s i d e r i n gb o t hc o s ta n dp e r f o r m a n c ed e m a n d ，w es e l e c tt h e0 6 p ms t a n d a r d p r o c e s sd e l i v e r e db yh y n i xi n c ，a c h i e v i n go p t i m a z e de f f i c i e n c yp e r f o r m a n c ea n d v e r yh i 曲o u t p u tp o w e r w ec a r e f u l l ya n a l y s i sa n dc a l c u l a t et h eo u t p u ts t a g et oa s s u r e s y s t e m ss a f e t yo p e r a t i o nu n d e r t h i sp r o c e s s 2 w ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t et h ee x i s t i n gs a m p l i n gp r o c e s sa n dd e s g i nad o u b l e s i d e d n a t u r a ls a m p l i n gc o n t r o l l e dq u a r t e n a r yp u l s ew i d t hm o d u l a t i o ns c h e m ea st h ec o r a l t e c h n o l o g y , i m p r o v i n gt h es y s t e ml i n e a r i t y a n dl o w e r i n gt h eq u i e s c e n tc u r r e n t t r e m e n d o u s l y 3 d e s i g ns e c o n do r d e rf e e d b a c kl o o pt ow i d e ns y s t e mb a n d w i d t h e s t a b l i s hs y s t e m st r a n s f e r f u n c t i o n ；u s em a t l a bt oa n a l y s i ss y s t e ml i n e a r i t ya n ds t a b i l i t y c a l c u l a t es y s t e mt h db y s i m u l i n ks i m u l a t i o nt 0 0 1 4 s e l e c ta n dd e s i g na no p e r a t i o na m p l i f i e ro ff u l l yd i f f e r e n t i a la r c h i t e c t u r ea st h e c o r a lo p e r a t i o na m p l i f i e r , w h i c hi sa c h i e v i n gh i g h e ri n t e g r a t i o na n dr e m o v e st h en e e d f o ri n p u tc o u p l i n gc a p a c i t o r s 5 f i n i s ha l lt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o n si nd e t a i lo ft h ew h o l ed e v i c e f i n i s ht h el a y o u t , p r o c e s sa n de v a l u a t i o n t h ep r o d u c th a se f f i c i e n c ya sh i g ha s9 0 a n dt h d 蠲l o w a s o 0 3 i th a so u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e ，a n di tc a nb ew i d e l yu s e df o rk i n d so fp o r t a b l e a u d i od e v i c e sw i 廿1i n t e r n a ls p e a k e r s i t sr e a l l yn e e d e db yp o r t a b l ed e v i c em a r k e t k e yw o r d s ：c m o s ；c l a s s da u d i o ；p o w e ra m p l i f i e r 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 啤， 倚， p 日 ) o 名， 登 月 人 年 队 年 口h07 触4 、 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年 月日解密，解密后适用上述授权。 f ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 扮 ，jl x 日 名 汐 签“ 月 人 明 年 声夕 口 第一章绪论 1 1d 类音频放大器综述 1 1 1d 类放大器的优势 第一章绪论 当今的电子设备开始趋向于便携化，而这种便携特性需要小的体积以及高 效率才能够维持足够的电池使用时间。这种趋势开始影响到音频放大器的设计 开发 2 - 3 1 。 传统上我们将a b 类音频放大器在手机等便携器件上作为扬声器驱动。但 是，a b 类音频放大器的效率通常都小于2 0 ，这就减少的系统的电池寿命，并 且增加了热耗散【4 1 。 d 类放大器是一种输出开关状态信号的放大器。当输出功率开关管关闭， 流过放大器的电流为零。当输出功率开关管导通，开关管所承载的压降很小， 在理想的状况下，这个值应是零。所以无论在开关导通或是关闭，消耗在放大 器内部的功率都很小。这就提高了效率，进而，它只需要更少的电能消耗和更 小的散热器。对于电池供电的便携器件而言，这是一个十分重要的优势【5 1 。 1 1 2 实现d 类音频放大器的两大类技术 就技术领域来而言，d 类音频放大器可以依照输入信号的类型分为两大类： 模拟d 类音频放大器与数字d 类音频放大器【6 】。 模拟d 类音频放大器到目前为止一直是d 类音频实现技术的主流。模拟d 类音频放大器接收模拟音频输入信号，通过信号调制结构将模拟音频信号置于 高频载波之上，并传送至功率输出级。模拟d 类音频放大器的信号调制机构由 于可以采用自然采样模式，不会产生固有谐波分量，因而可以实现比较高的线 性度研。并且，模拟d 类音频放大器可以相对容易地实现负反馈控制，通过反 馈机制，进一步有效地提高包括线性度，电源噪声免疫性在内的各项音频性能 特征 8 - 9 1 。基于上述特点，模拟d 类音频有更为简单的可实现性并且不需要特殊 设计的精确电源，在应用端可以简化外围电路的使用，因而目前依然是d 类音 频产品所使用的主流技术。本文所介绍的d 类音频放大器也属于模拟d 类音频 高效率、低失真d 类音频功率放大器 放大器的范畴。 数字d 类放大器接收数字音频输入信号。同样要通过信号调制结构将数字 信号置于高频载波之上，并传送至功率输出级。数字d 类音频目前在诸多技术 环节仍存在困难。由于数字d 类放大器采用线性插值法采样，在采样方式上存 在固有的误差，因而在线性度上不及模拟d 类音频 1 0 。l l 】，更重要的是，数字实 现方式难以实现反馈控制，使得数字d 类音频更加依赖于良好的外围电路设置。 但数字方式的好处同样显而易见，全数字的实现方式可以省去面积可观的模拟 电路模块；全数字的音频信号通道对耦合噪声并不敏感；全数字的实现方式可 以更加灵活地实现片上的音频信号处理，并可以省去系统的数模转换器 1 2 - 1 3 l 。 数字实现d 类音频目前仍只有极少的市场应用，但如果上述的技术困难可以得 到解决，数字实现将会是一个很有竞争力的选择，成为未来d 类音频技术的发 展方向。 1 2d 类音频放大器市场分析 音频系统对节能及缩小空间的需求趋势正在成为d 类功放市场增长的主要 驱动力。据市场调研公司g a r t n e r 预测，2 0 11 年d 类音频放大器的销售额将从 2 0 0 6 年的3 3 4 亿美元增长到6 8 8 亿美元，复合年增长率为1 5 6 。良好的市场 前景引发半导体厂商的研发热潮。 目前美国德州仪器( t i ) 、美国国家半导体( n s ) 、a d i 、m a x i m 、恩智浦半 导体( n x p ) 、安森美( 0 n s e m i ) 、意法半导体( s t ) 等都已开发出多代方案【1 4 1 。 1 2 1d 类音频产品的应用分类 目前的d 类音频放大器按照应用场合可以明确地画分为便携应用与高功率 应用两大类。 ( 1 ) 便携应用： 以手机应用为代表，还包括有p d a ，便携d v d ，收音机，游戏机等等。 它们的共同特点是都由电池供电，供电电压在5 5 v 以下，输出功率由于 供电电压的限制一般低于3 w 。市场对便携类产品的巨大需求造就了面向 该应用的d 类音频产品设计的活跃。 2 第一章绪论 ( 2 ) 高功率应用： 包括电视，d v d 家庭影院音频系统以及车载音响系统等等。它们的供电电 压一般在8 v 以上，可以高至6 0 v ( 需要相应的高耐压c m o s 工艺支持) 。因 而可以提供大功率输出以满足应用的需要。市场对高功率d 类音频的需求 还处在上升阶段，前景十分广阔。 1 2 2 市场主流的d 类音频产品 到目前为止，d 类音频产品仍是美欧目的天下，主流的d 类音频功放产品仍 为欧美日主要半导体厂商所垄断。 ( 1 ) 便携应用类： 德州仪器的t p a 2 0 1 0 ：t p a 2 0 1 0 是一款经典的d 类音频产品，为以诺基亚为 代表的手机厂商广泛采纳，在国内亦是市场的主流产品。以t p a 2 0 1 0 为基 础，德州仪器推出一系列的面向便携应用的d 类音频产品，包括t p a 2 0 0 5 ， t p a 2 0 1 2 ，t p a 2 0 3 5 等等。这些产品占据了巨大的市场分额，它们的功能 及引脚的定义成为其它厂商的范本。而它们所标注的性能参数，则是各 厂商竞相比拼的重点。 雅马哈的y d a l 5 3 ：雅马哈的d 类音频产品占有较大的市场分额。y d a l 5 3 是雅马哈推出的带有自动增益控制的d 类音频产品。在同类产品中占主流 地位。为多数主要厂商所采用。 a d i 的s s m 2 3 x x 系列：a d i 的s s m 2 3 x x 系列是a d i 公司面向手机应用设计的系 列d 类音频功放产品。这类产品采用其特有的一脉冲调制技术。在失 真度指标上有十分突出的表现。近年来a d i 公司的s s m 2 3 x x 系列开始在市 场上流行，成为国内大手机厂商的重要供应商。 此外，美国国家半导体，m a x i m ，恩智浦半导体( n x p ) 、安森美( o n s e m i ) 、 意法半导体( s t ) 也都有一定的市场分额。 ( 2 ) 高功率应用类： 德州仪器的t p a 3 0 0 x 系列：德州仪器的t p a 3 0 0 x 系列是德州仪器推出的面 向电视应用的d 类音频产品。这类产品也是输出功率在1 0 w 左右的d 类音频 产品的典范，得到了包括苹果公司在内的大公司的广泛采用。其产品定 义为其它众多厂商所效仿。 3 高效率、低失真d 类音频功率放大器 除了t p a 3 0 0 x 系列，德州仪器还推出了面向电视应用t p a 3 1 0 x 系列与 t p a 3 1 2 x 系列，面向汽车应用的t a s 系列。其丰富的产品族群涵盖了大多 数的应用需求。 国际整流公司的i r s 2 0 9 x 系列：国际整流公司专攻面向高功率应用于的d 类音频产品。国际整流公司推出的i r s 2 0 9 x 系列d 类音频功放控制器，配 合其专有的功率m o s 管芯片，可以达到十分优秀的输出音质，在高端d 类 音频应用上占有一席之地。 此外，美国国家半导体，m a x i m ，恩智浦半导体( n x p ) 、意法半导体( s t ) 也都拥有自己的高功率d 类音频产品。 1 3 本课题的主要工作 本课题是矽恩微电子( 厦门) 有限公司面向便携市场( 主要是手机) 应用而研 究开发的一款高效率、低失真的d 类音频功率放大器。目标在于改变欧美半导体 厂商在这一领域的垄断局面。 作为面向商业终端的产品，该设计不仅需要有很好的音频参数指标，同时在 设计的鲁棒性，芯片工作的安全可靠性方面也都有很高的要求。因而我们需要有 创新的音频调制结构以实现好的音频指标。同时也需要将工艺、封装、电路实现、 版图设计进行综合而严谨的考虑分析，以实现芯片设计的鲁棒性，以及芯片运行 的安全可靠性。从而保证芯片生产的高成品率，降低芯片在终端用户使用过程中 的失效风险。 本设计的主要工作模块如图i - i 所示，其中输入增益级，脉宽调制器以及输 出半桥结构组成的音频信号通道是整个芯片的核心部分。同时，芯片中还包括有 偏置模块来支持音频信号通道的正常工作。另外，芯片中还含有输出短路保护电 路以防止芯片因为终端用户的误操作而损坏。 4 第一章绪论 l i 匮州 瑚 例 s d r s d l 图1 - 1 芯片的主要工作模块示意图 本课题的主要工作包括： 1 综合考虑器件成本和性能的要求，选取了现代公司的0 6 胁线宽标准工艺，在 保证合理的成本和芯片面积的前提下得到最优化的效率以及相应的输出功率 性能。 2 选用双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术作为d 类音频信 号调制器的核心技术，其良好的线性表现可以很好地在输出端再现音源信号的 丰富内涵，同时最小化静态功耗。 3 设计全差分结构的运算放大器作为组成音频信号调制器的核心放大器，以得到 更高的集成度，并且不需要使用输入耦合电容对。设计轨到轨的高反应速度的 比较器作为脉宽高制信号发生器，从而将信号相移最小化，同时保证系统的稳 定性。 4 完成包括d 类音频调制器以及功率输出级在内的整个器件的所有具体电路设 计与仿真验证；完成了器件的版图设计、后端生产以及性能测试。所得到的产 品在拥有高达9 0 的效率与低至0 0 3 的失真度，在效率与失真度方面性能优 异，十分符合音频领域的应用要求。 5 高效率、低失真d 类音频功率放大器 第二章晶圆工艺、封装工艺的确定及芯片安全运行分析 2 1晶圆工艺的确定 根据我们的设计经验，一般说来，在晶圆工艺选用上主要有三条基本原n - 1 ) 工艺各参数必须与产品的设计目标相匹配。2 ) 考虑工艺的成熟程度。3 ) 考 虑成本。针对d 类音频功放的特定要求，我们可以将以上三点原则具体化如下： 首先，是工艺各参数与产品的设计目标相匹配。 主要的考量因素有： a m o s 晶体管各端相对电压承受能力及它们与地电位的绝对电压承受能力。 这一因素关系到该d 类音频功放所能达到的动态输出范围以及输出功率 级所能选用的结构。由于本设计针对以手机为主的便携市场，所要求的 动态范围低于5 v ，另外，由于工作电压低于5 v ，不需要图腾柱式n 钉输出 级结构，相对绝对地的电压承受力也只需5 v ，因而只需选用标准5 v 工 艺即可满足设计需要。 b m o s 晶体管的电流能力，包括饱和区电流与开关阻抗。对于d 类音频功 放而言，有影响的主要是开关阻抗值。这一因素关系到d 类功放的输出 阻抗值，也就是d 类功放输出功率的大小以及芯片的效率。选择合适的 工艺才能在合理的芯片面积下得到高的输出功率和芯片效率。当今多数 的晶圆代工厂商都能提供电流能力合适的5 v 标准工艺。在一些特殊应用 要求下，可以考虑使用b c d 工艺来获得特别低的输出阻抗值。 c 电容的电压承受能力。电容在一些特殊情况下会被要求能够承受高的电 压而不会损坏。大多数金属一氧化层一多晶硅电容或多晶硅一氧化层一多晶 硅电容都有较高的电压承受能力。本设计在电容耐压方面并没有特殊的 要求。标准5 v 工艺的电容完全可以满足设计要求。 d 电阻器件类型以及其温度特性。对于一般的设计而言，芯片都需要控制 片上的功率损耗，这就要求工艺能提供具有高方块阻值的多晶硅电阻。 大多数的标准5 v 工艺而言都能提供高方块阻值的多晶硅电阻。本设计同 样要求所用的工艺能提供高阻多晶硅。 6 第二章晶圆工艺、封装工艺的确定及芯片安全运行分析 e 是否集成p n p 晶体管。p n p 晶体管具有最好的可重复性，因而是用来组 成带隙基准的必要器件。本设计要求所用的工艺标准库中带有标准的p n p 结构。 有时根据需要还可能要求有肖特基二极管以及齐纳二极管等特殊器件。本设 计并不要求特殊器件。 然后，是工艺的成熟程度。 要尽可能选用高成熟度的工艺以减少产品失败的风险。一般地说，历史较长 的大公司，往往能够提供更为成熟的工艺产线，这些工艺经过长期的投片生产以 及调整，有很高的稳定性。在众多的晶圆代工厂中，台湾的“台积电 ，“联电一， 以及韩国的“现代 公司，都能提供一些十分成熟的工艺产线。国内的“华虹 n e c 以及“华润上华 公司也有一些比较稳定的工艺产线。 最后是要考虑成本。 大公司的工艺往往价格较高，所以如果一味选择大公司的工艺，有时并不能 得到合适的利润。有必要将成本以前述的两个因素进行综合考量，才能选到最为 适合的工艺。 综合以上三项考量，本文的设计选取了现代公司3 p 3 m _ 0 6 u m 一5 v c m o s 工艺。 即三层多晶硅，三层金属，最小线宽为0 6 u m ，额定承压能力为5 v 的工艺。 以下列举了该工艺的主要参数指标： 1 n a o h a n n e lt r a n s i s t o rl f o r5 vo p e r a t i o n t o xna 2 11 2 81 3 5 l s lnl = o 。5u mo 4 9o 5 6o 6 3 2 0 ，1 5vo 筠0 7 4o 8 3 v t e x t n 2 0 ，o 5 v0 6 7o 7 6o 弱 v r s a t n 2 0 5v o 0 t 4 2 o 。秘 i d s a t _ n 2 0 0 5u , a j u m4 5 05 1 06 j 0 0 a v d s s _ n 2 5 v 8 o 2 q ，1 5 、i 一尼o 7 3 g a m m a _ n 2 0 0 5妒垃o 4 3 d e b l - n u m 0 0 4 4o 1 1 4o 1 8 4 d e l t a w _ i n u m0 1 5 30 2 2 3o 2 9 3 7 高效率、低失真d 类音频功率放大器 2 p - c h a n n e lt r a n s i s t o r ( f o r5 vo p e r a t i o n l t o xpa1 2 0 1 2 7 1 3 4 l s ipl = 0 5u mo 4 9o 。5 6o 6 3 2 0 ，1 5v击镐- 0 8 8- 0 7 8 v t e x tp 2 0 灼5v母9 5- 0 8 3- o 7 2 s 禄3 2 0 幻5 v - 0 6 8- 0 。- 0 。3 2 i d s a t _ p 2 1 q ，o 5u a u m - 3 7 03 0 5珊 b v d s s ， 2 q ，o 5v- 8 o 2 d ，1 5 妒垃 o 5 6 g a m m a _ p 2 0 5v l r 2o 4 6 d e l t a l _ p u m0 o o 0 7 00 1 4 0 d e l t a w - p u mo o o 1 o 2 3 0 4 。r e s i s t a n c e n w _ r s h 1 ，1 0 0 o h m d s q 2 9 03 6 54 4 0 n + r s hl ，1 0 0o h m s q6 88 41 0 0 p + 融h ，1 0 0 o h r r v s q 51 4 5 1 7 5 n p o l y _ r s h 1 0 ，1 0 0 o h r r v s q1 1 p p o l y _ r s h 1 0 ，1 o h m s q 1 1 m 1r s h0 8 ， ) oo h m s qo 0 3o o 1 5 m 2r s h o 8 ，1 0 0 0 o h m s q o 0 3o 0 1 5 m 3r s h o 8 ， o o o o h r r v s qo 0 2o 0 4o 1 3 n + r c0 5 旧抛o h n v e a1 02 55 0 p + r c0 5 船5 2 o h m e a 4 09 02 p o 移r c a 册5 x 2 o h n 嘟e a 2 54 o v i a lr c o 5 0 5 2 o h m f e eo 11 o5 o v i a 2r c0 髫o 5 ) ( 2 o h m f e ao 11 o5 o 8 第二章 晶圆工艺、封装工艺的确定及芯片安令运行分析 2 2 封装型号的确定 为了与美国德州仪器的同类产品t p a 2 0 1 2 相兼容， 我们选用了与t p a 2 0 1 2 相同的封装。 q f n 2 0 封装引脚示意图如图2 - 1 所示： 硼 目目 1 71 6 1 一- r i 萋ii 重l l j 口 一堕 广一一一一一一一i ! l 薰i l 圈i ； o u t l - 一一一一一一一j 同同i - 7i l 固 ：呈 f 百f ：i 委ff 墓：f 錾 l i j ：j l l i j ：j u 匦西习们 图2 - 1q f n 2 0 封装引脚示意图 “菱生精密工业股份有限公司是专门从事集成电路封装测试的厂商，对于 芯片的封装有丰富的经验，其高效的工作和良好的产品质量使我们选用菱生 公司的q f n 2 0 封装。 图2 - 2q f n 2 0 封装的尺寸视图 9 匝匦 高效率、低失真d 类音频功率放人器 2 3 芯片运行安全性分析 在即定的工艺条件下，d 类音频功放的动态输出范围受到安全运行域的限制。 其原因在于驱动动态性能十分复杂的扬声器负载所带来的复杂的输出波形。这些 波形常常带有超调，因而会带来电压过载危险。这一现象的存在给芯片运行带来 了安全隐患。或者从另一方面说，安全运行域限制了d 类音频功放的动态输出范 围指标捌。 图2 - 3 典型的输出级结构等效电路 以上图所示的典型输出级结构为例，q 0 的峰值漏源电压可以等效如下n 们： v d s p q o 兰+ ( 2 - 1 ) 由此可以计算得到芯片在安全运行域内可以达到的最大输出功率。根据本设 计的相关参数可以计算得出在5 5 v 工作电压下的峰值漏源电压为7 5 v ，同时本 设计的所选择的现代公司的标准5 v 工艺的n 型m o s 管的最小耐压值为8 v ，因而 本设计的输出动态范围最大可以达到5 5 v 而不至于损坏输出功率管。 对于典型的市场应用而言，芯片动态范围仅需要达到4 2 v 即可，本设计所 选用的工艺在实际的应用环境下完全可以满足安全运行要求。 对于一些特殊的应用情况，考虑到工程应用产品对于质量的苛刻要求，在芯 片生产出来后还要进行老化试验，以测试芯片在特殊应用条件下的质量以及是否 出现产品加速损坏的情况。 1 0 第三章高效率、低失真模拟d 类音频功率放大器的核心脉宽调制架构设计 第三章高效率、低失真模拟d 类音频功率放大器的核心脉宽 调制架构设计 d 类音频放大器优于a b 类放大器的最大特点就是使用开关状态的输出级， 它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。本设计的核心工作就在于为d 类音频设计最为优质的脉宽调制架构，以保证开关式的输出信号具有最小的失真 度水平，保证音乐信号的完美再现。 3 1 模拟d 类音频功放的基本架构 3 1 1 模拟d 类音频功放架构的分类 在绪论中，我们提到本设计选择模拟d 类放大器作为d 类放大器的核心架构， 并简述了原因。实际上，模拟d 类音频功放的基本架构又可以分成三大类： 1 ) 脉宽调制架构。脉宽调制架构的特点是实现的电路结构最为简单。因而 最为广泛地在设计实践中被采用。 2 ) 过采样调制架构。过采样调制架构在本质上是模数转换器设计。它的结 构已经很好地建立起来n 7 1 。在高端的助听器设备中，一阶的过采样调制器常常会 被考虑使用。但是我们知道由于过采样系统的电路更为复杂，一阶过采样调制器 的电流损耗大约是脉宽调制架构的1 2 倍。而且所占的芯片面积大约是脉宽调制架 构的2 6 倍。这些显著地增加了电能损耗与硬件开支。在线性度方面，一阶过采 样方式的谐波失真在高调制深度时比脉宽调制架构的谐波失真更小。但在低调制 深度时，二者的失真度相近。 3 ) “梆一梆控制方式n 蚰。“梆一梆 控制方式是基于迟滞结构的调制器， 它能计算输入与输出之间的误差。单这个误差值大于一个边界值时( 或者离开了 迟滞带) ，控制器就会改变状态从而将输出拉回到误差边界以内。“梆一梆 控 制方通常需要一个高的时钟速率。并且，虽然比过采样方式稍好，“梆一梆 控 制方式同样需要比较复杂的实现电路。这样，也就需要更大的硬件面积来实现这 种控制方式。另外，“梆一梆”控制方式的电能损耗与一阶过采样方式可相比较， 它的线性度也与一阶过采样方式相近。 高效率、低失真d 类音频功率放大器 综合成本与电能损耗方面的考虑，大多数的模拟d 类音频放大器采用脉宽 调制架构。本设计也将采用脉宽调制为基础的音频调制架构。 3 1 2 脉宽调制架构原理 所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的 宽度。这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。 这时候，要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放放大就可以了。把这个放大 以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信 号。这种脉宽调制可以用一个等幅三角波来对音频信号进行采样。为了避免失真 这个三角波的频率必须远高于音频信号的最高频率分量。 音乐信 图3 - 1d 类放大器的基本架构图 最简单的脉宽调制器如上图所示。它实际上就是一个比较器，另外加上输出 功率级以及低通滤波器。比较器的一端输入原始要放大的音乐信号，另一端就输 入一个高频三角波或者高频锯齿波。在这个比较器的输出就是一个脉宽被调制的 矩形波。这个输出矩形波具有与输入载波相同频率，只是它的脉宽受到了输入音 乐信号的调制，并且这个脉宽与输入音乐信号的幅值成正比n h 副。这个矩形波将 会通过一定的输出级控制电路，然后被直接加到一对互补晶体管进行放大。这对 互补晶体管具有很小的输出阻抗( 通常只有几百毫欧，高功率应用时会低于1 0 0 毫欧) ，它的表现就像是一个输出方波的理想电压源。然后这个输出会被加到一 个低通滤波器，低通滤波器会滤除包含在方波输出中的高频载波分量，因此，在 低通滤波器的输出端，我们可以得到放大后的音乐信号输出。实际上动圈式扬声 器的动圈也是一个电感，它本身也有一定的低通作用( 值得一提的是，在本设计 中，我们将会呈现一种利用动圈式扬声器内部电感进行滤波，从而免去低通滤波 1 2 第三章高效率、低失真模拟d 类音频功率放大器的核心脉宽调制架构设计 器的四态开关结构) 。 3 2 采样模式选择 脉宽调制架构总是需要一个载波信号( 或者说采样信号) ，将它的幅值与瞬 时输入的调制信号相比较来得到脉宽调制信号。这个比较的过程称为采样。这一 节我们将会介绍各种形式的采样信号，继而回顾并比较以往文献中报告过的采样 模式与算法。进而，我们将会阐述我们选用双边自然采样的脉宽调制技术作为本 设计d 类音频信号调制器的核心技术的理由。 前缘锯齿波 后缘锯齿波 三角波 图3 - 2 三类采样信号 采样信号可以大至分为三类：单边后缘锯齿波，单边前缘锯齿波，双边三 角波。在模拟d 类音频功放中，最为常见的是双边三角波的采样信号。因为它的 模拟电路中最为容易实现，并且双边模式可以得到以双倍于单边模式的音乐信 息，从而更好地完成对音乐信号的还原。而在数字d 类音频功放中，最为常用的 是单边后缘锯齿波，因为这种采样信号在数字d 类功放中最为容易实现。 由于本设计选择模拟d 类音频功放的基本结构，所以自然地，我们将会选择 双边三角波作为采样信号( 或者载波信号) 。在模拟电路设计中，双边三角波发 1 3 高效率、低失真d 类音频功率放大器 生器仅需要非常简单的硬件实现电路。因而我们不难得到以双边三角波采样为基 础的采样设计。 。1 自然采样 一致化采 图3 3 两种采样方式的比较 应用在模拟d 类音频功放大的采样方式主要是自然采样方式。相应地，应用 在数字d 类音频功放中的采样方式主要是一致化采样方式。图3 3 表示了这两种 采样方式的不同。我们注意到，无论哪种采样方式，所得到的输出方波的频率都 等于采样信号的频率。 首先我们来看理想自然采样方式所产生的脉宽调制输出波形的数学表达式： 正弦波信号可以用下式表达： k ( 矿) = b + qe o s ( w , t ) = 2 n k + m n c o s ( w ，t ) ( 3 - 1 ) 其中k 常常设为0 5 ( 等效于零输入时的5 0 的占空比) 。 如图3 4 ，通过双傅立叶级数法分析，我们可以得到输出信号的傅立叶级数： 1 4 第三章高效率、低失真堡壑里鲞童塑塑垩整奎矍箜垫：堂壁重塑型墨塑望翌_ 一 一：一一 哪m + 等州们+ 砉去s i n ( m w c f ) 一警s i n ( 历咿2 删删协2 ) 一妻艺五笔竽s i n ( m w , t + ”嵋t - 2 m 癖一等) 厶一m = ln 一- - - j ：l m 万 z o 恻。暑 l 、j ， + q 瞄y i i 叶_ i i l i i - 2 嚣 一 i 2 霄 s l g 确i l i i i i i i 4 t 图3 - 4 脉宽调制信号的二维几伺图形 另外，后缘锯齿波采样的脉宽调制信号可以表示成： f r ( t ) = k + m 二毗f ) _ 妻m = l 仁m y g s 蜥叫+ 警s i n 嗍砌删像3 ) 一妻量螋s i n ( m w , t + n 嵋m m 厩+ 了n j l ) 磊函m r 双边三角波采样的脉宽调制信号可以表示成： b ( f ) = 露+ 丝2c 。s ( f ) + 2 茎五案竽c o 蜊w c 如域m 疵) + 2 乏o o - z h o j , ( m f f m ) c 。s ( 班心m 心f ) s i n ( m 死k + 等) 一 ：五函 m r 。 其中第一项k 表示脉宽调制信号的直流成分；第二项表示调制信号；第三项 表示载波信号及其相关的谐波成份；最后一项表示调制信号与载波之间的互调成 份。 根据以上结果我们可以做出如下分析，就第一项( 直流成份) 而言，直流成 高效率、低失真d 类音频功率放大器 一一言雩咖f 一警一等， +sin(mwj)-jo(mxm)sin(mwj-2rank) j ( m w c + n w m ) r a w c n 一萋蚤_ 寻 肌爿舻“( ，z w c + 以) 兰 s i n ( m w c + n w m ) ( f 一2 7 d c ) 一等】 z 1 6 第三章高效率、低失真模拟d 类音频功率放大器的核心脉宽调制架构设计 n 表示输入调制信号的谐波指数， j n ( x ) 表示第一型贝塞尔方程， k 表示零输入时的输出占空比。 第一项l ( 0 0 是输出的直流成份，对于非线性没有贡献。 第二项对应于输入调制信号以及它的高次谐波，它是大的非线性的主要来 源。例如，设输入调制指数m = i ，带宽等于2 0 0 0 0 赫兹，采样频率五等于4 4 1 赫兹，输入调制频率为1 0 0 0 赫兹，则可计算得出总的谐波失真为3 6 。一 种降低谐波失真的解决办法是提高采样频率五。另外还可以利用过采样方 式，或者对输入信号进行线性插值。经过过采样方式或者是线性插值，一致 化采样与自然采样的差距将会缩小，从而得到对连续域信号的一个更好的进 拟。仿真结果表明经过4 阶过采样得到的输出波形的谐波失真将降到0 9 9 6 。 另外还有一些数学算泽，也可以得到与自然采样法的更好的近似，从而提高 采样的线性度。 第三项对于谐波失真没有贡献，因为它处于音频之外，并且可以在输出功率 级后由输出低通滤波器滤除。 第四项是一个互调成份项。它是由原始的输入调制信号与原始的输入载波信 号发生频率互调后产生的。互调成份项的展开式存在于音频频段中，因此互 调成份项也会引入谐波成份。互调成份也可以通过过采样或者线性插值法来 加以改善。例如：设输入调制指数m = i ，带宽等于2 0 0 0 0 赫兹，采样频率石 等于4 4 1 赫兹，输入调制频率为1 0 0 0 赫兹，可以得出谐波量有1 4 d b 。而在 引入了过采样法以后，该谐波量可以小至2 9 4 d b ，从而小到完全可以忽略不 计。 从实际电路实现的角度出发，假设输入信号是1 6 位，并且我们用的采样频 率五为4 倍的4 4 1 0 0 赫兹以减小线性谐波失真，那么我们就必须将时钟基频 设置为1 1 6 g 赫兹。这在今天的数字电路中还无法达到。除非我们将数字输 入信号缩短，例如缩至8 位，则时钟基频为4 5 m 赫兹，这是比较容易实现的。 但是这样做的负面效应是增大了量化噪声，减小了信噪比。这种负面效应给 输出音频质量所带来的不利影响甚至要比线性谐波失真更为严重。 这样的一个输入信号位数上的矛盾可以通过基于数学算法的脉宽调制机制 1 7 高效率、低失真d 类音频功率放大器 在一定程度上加以改善。也可以通过多位过采样调制法( 在过采样法基础上 改进而来) ，对输入信号位数矛盾加以解决。总的来说，一致化采样的结果 并不理想。 最后，我们再来看一种基于插值法的采样方式。 输入调制波 输入载波 s 2 - 一 彳：歹乃。l 输出脉宽调制波 图3 5 插值采样方式示意 这种基于插值法的采样方式可以在很低的采样频率下得到最接近于自然采 样法的结果，并且算法简单，容易在电路中实现。 插值采样的算法如图3 5 所示，我们可以计算得出插值采样法得出的脉宽 表达式： “四玎志眍圪 l ( 3 - 6 ) 由式( 3 6 ) 我们可以看出，插值采样算法十分简单明了，由此我们可以得 出实现该算法的框图： 第三章高效率、低失真模拟d 类音频功率放大器的核心脉宽调制架构设计 图3 - 6 插值采样方式的硬件实现框图 由图3 - 6 我们可以看出插值采样方式具有十分简单的硬件实现电路，易于 电路级的实现。 根据双傅立叶变换，我们可以推导出这种插值采样方式所得到的脉宽调制 波的谐波成份【1 0 】： 啪) = k o o - 善嘉s i n ( 州砌卺庇) s i n 聊w c f 耽万一嘉s i n ( m 心t - 2 m 庇) 】 一萎oo幺+oo三云：瓦imn s i n ( 聊心f + 咒比f 一2 耽刀无) 。7 ) 其中， 2 万 i o 以= ，e x p - j n a , o 2 石 厶。= e x p 一j m 0 2 q n - c o s一2 b qs i n 堡s i n ( + 堡) pp 2 万+ 2 qs i n 竺s i n ( + 互) pp ) ) 抛 2 q n c o s 一2 b q s i n 至s i n ( + 翌) pp 2 万+ 2 q s i n 至s i n ( + 至) pp 2 彳( 所+ 旦) ( 2 q 万c o s 一2 b q s i n 至s