（微电子学与固体电子学专业论文）立体声增强功能音频功放芯片的设计与试制.pdf

顾十学位论文 摘要 本文设计了一个音频功率放大器芯片，主要应用于小体积便携式电子产品， 对此本芯片主要有以下三个特点：首先设计了低功耗关断模式和开关噪声抑制电 路；具有高线性和高保真度的a b 类放大器；另外，在系统中还设计了3 d 立体 声增强功能。 低功耗模式有效时，系统所有模块均被关断，只有一些逻辑控制电路在工作， 因功耗很小。系统中的电源旁路电路，在系统开启和关断时能够延缓信号传输， 当系统稳定后才有信号输出，故抑制了“咔嚓声；便携式产品体积有限，立体 声的两个扬声器不可能相距足够远，因而音效往往很差，本文在深入分析了立体 声原理、声音串扰及解决方法之后，设计了一种电路结构，此结构基于音频放大 系统并集成于音频放大系统之内，能够增强3 d 立体声的声场。另外，文中还优 化设计了运算放大器、电流源、过温保护等模拟电路，使之性能更好、功耗更小。 本芯的整个设计流程都是在c a d e n c e 工具下完成，在模块电路设计中，仿真 与设计循环进行，并最终确定了系统的电路。对芯片系统进行整体仿真，模拟其 功能和性能参数，都在可接受的范围之内。本论文还细致地设计了系统的版图， 尤其是运算放大器和功率器件等决定芯片性能的关键模块。电路和版图的设计都 采用0 5 “mn 阱c m o s 工艺的器件模型和设计规则，并最终流片。封装为q f n 2 4 ， 具有面积小、散热性能好的特点。 对芯片进行详细测试的结果表明，过温关断、3 d 立体声增强、单双端模式及 低功耗关断模式功能正常。关断模式下功耗几乎为零，而芯片最大静态功耗 2 0 m w ，在5 v 电源电压、4 q 负载、频率为l k h z 及1 w 输出功率时的t h d + n 为 0 2 。各项性能指标均达到了设计的预期值。 关键词：模拟集成电路；音频功放；立体声增强；运算放大器；功率器件 i i a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，an e w t y p ec l a s s a ba u d i op o w e r 锄p l i n e rc h i pw a sd e s l g n e d ， w h i c hm o s t l ye m p l o y e d i ns m a l lp o r t a b l ee l e c t r o n i c s i th a sal o to fe x c e l l e n t p e r f o r m a n c es u c ha sl o w p o w e rc o n s u m p t i o ns h u t d o w nm o d e ，u t l l l z e s c l r c u l t r yt o r e d u c e 。c l i c k sa n dp o p s ，c a np r o v i d eh i 曲q u a l i t yo u t p u ts i g n a la n d 。h e s e r e ol m a g e e n h a n c e m e n tm o d e ，e t c 一 ， w h e nt h ec h i pi nt h el o w p o w e rc o n s u m p t i o ns h u t d o w nm o d e ，e v e r ym o d u l e o t t h es v s t e mw i l lb et u r no f fe x c e p tf e wl o g i cd e v i c e s s ot h ep o w e r c o n s u m p t i o n1 s v e r vl o w a n dp r o p e rs u p p l yb y p a s s i n gi sc r i t i c a lf o rl o w n o i s ep e r f o r m a n c e ，t h l sb e r e a l i z e db yc a p a c i t o rl o c a t i o no nb o t ht h eb y p a s sa n dp o w e r s u p p l yp i n s i h e r ew l l lb e n oo u t p u ts i g n a lu n t i lt h es y s t e m h a v eb e e nr e a d y ，t h e r e f o r e ，i t c a nr e d u c e “c l l c k sa n d p o p s ，d u r i n gd e v i c et u r n o n t h es t e r e os o u n di s l o c a l i z e di na n r r o wf i e l dw h e nt h e 1 e f ta n dr i 曲ts p e a k e r sa r et o oc l o s et oo n ea n o t h e r ，d u et os y s t e mx i z e c o n s t r a l n l so r e q u i p m e n tl i m i t a t i o n s i nt h i sp a p e r ，w eh a d c o n s u l t ss o m ed o c u m e n t s ，c a r n e do nt n e s t e r e ot h e o r ya n da c o u s t i cf i e l de n h a n c e m e n t ，t h e nd e s i g na c i r c u i ts t r u c t u r et ow l d e n t h ep e r c e i v e ds o u n d s t a g ef o r mas t e r e oa u d i os i g n a l i n a d d i t i o n ，w e a l s oo p t l m l z e d t h eo p r a t i o na m p l m e r ，c u r r e n tr e f e r e n c ea n dt h eo v e r - t e m p e r a t u r e p r o t e c t l o nc l r c u l t i nt h ec h i pd e s i g n ，w eu s e dt h ec a d e n c ee d a t o o l st od e s i g 吣l lt h ec l r c u l t sa n d s i m u l a t et h e i rp e r f o r m a n c e a n dt h e1 a y o u t w a sd r a w ni nc a d e n c e ，t o o b e c a u s e o tt h e s i g n i n c a n c et ot h ec h i p ，o p r a t i o na m p l i f l e ra n dp o w e r d e v i c ew e r eo p t i m l z e dc a r e t u 儿y i n1 a v o u t a n df i n a l l yw ea d o p to 5 扯mn w e l lc m o s t e c h n o l o g yt or e a l l z e lh ec h l p u s et h eq f n 2 4p a c k a g e ，w h i c hh a sa r e a - s a v i n ga n de x c e n e n th e a td i s p e r s l o n t e a t u r e s t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h eo v e r t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n ，s t e r e o e n h a n c e m e n t ， t h eh pa n db t lm o d eh a v ec o r r e c tf u n c t i o n 。t h ec u r r e n ti ns h u t d o w n m o d e1 sn e a l y z e r o 。a n dt h em o s tp o w e rc o n s u m p t i o na ts t a t i ci s a b o u t2 0 m w w h ec o n n e c t e dt o5v s u p p l y ，w i l ld e l i v e r2 w t oa4 q1 0 a dw i t hl e s st h e 口蝴t h d + n k e yw 。r d s ：a n a l 。gi c ；a u d i 。p 。w e ra m p l i 矗e r ；s t e r e 。e n h a n c e m e n t ；o p r a t i 。n a m p l i f e r ；p o w e rd e v i c e i i i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 历史上最早的集成电路及其发明者1 图1 2 模拟集成电路设计的一般流程4 图1 3 模拟i c 设计中电路设计的主要任务5 图1 4a 类音频功放工作原理图7 图1 5b 类音频功放工作原理图7 图1 6d 类音频功放工作原理图8 图2 1 芯片的管脚分布示意图1 3 图2 2 系统框图及外围元器件1 4 图2 3p n 盯电压产生电路1 5 图2 4p n 汀电流产生电路1 6 图2 5 改进后的p u 汀电流产生电路1 7 图2 6 完整的p l 盯电流产生电路1 7 图2 7p t a t 电流随温度变化曲线1 8 图2 8p n 订电流随电源电压变化的曲线18 图2 9 输出端b i a s l 的电源电压抑制比1 8 图2 1 0 基准电压产生原理图1 9 图2 1 1 过温保护电路整体结构图一2 0 图2 1 2 过温保护电路仿真曲线一2 0 图2 1 3 运算放大器主体电路结构一2 1 图2 1 4 运算放大器中的电流镜一2 2 图2 15 运放失调电压随温度变化一2 2 图2 1 6 运放电源电压抑制比随频率变化2 2 图2 1 7 运放增益及相位裕度仿真曲线一2 3 图2 1 8 运放共模电压抑制比仿真曲线一2 4 图2 1 9 运放输入共模范围仿真曲线一2 4 图2 2 0 运放输出摆幅仿真曲线2 4 图 图 图 图 运放摆率和建立时间仿真曲线2 4 运放正端旁路参考电压2 5 旁路电压电路整体结构一2 5 两级开环比较器结构2 6 v i i 硕十学位论文 图2 2 5 旁路电压电路模拟结果2 6 图2 2 6 电容充、放电时问模拟结果2 7 图2 2 7 运数字控制模块示意图一2 7 图2 2 8 系统工作状态转换示意图一2 7 图2 2 9 早期的e s d 保护结构3 0 图2 3 0 改进后的两级e s d 保护结构框图3 0 图2 3 1 本系统中采用的e s d 保护结构3 0 图2 3 2e s d 保护电路仿真电压曲线3 0 图2 3 3 输出管脚的e s d 保护电路结构3 l 图2 3 4 电源与地间的e s d 保护电路结构3 l 图3 1 声音强度差别对声像位置的影响3 3 图3 2 声音时间差别对声像位置的影响3 4 图3 3 两个扬声器立体声声场示意图一3 5 图3 4 声音串挠消除系统一3 5 图3 5 声音传递几何关系示意图3 5 图3 6 本文章所设计的立体声增强的系统结构示意图3 7 图3 73 d 增强开关控制的原理图3 8 图3 83 d 增强开关控制的仿真结果3 8 图4 1 芯片整体电路网表及仿真环境3 9 图4 2 双端桥式模式下控制信号功能仿真结果4 0 图4 3 单端耳机模式下控制信号功能仿真结果4 1 图4 4 系统的频率特性仿真结果4 1 图4 5 系统温度特性的仿真结果一4 2 图4 6 双端b t l 模式时的p s r r 曲线4 2 图4 7 单端s e 模式时的p s r r 曲线4 2 图4 8 输入信号幅值变化时输出信号波形仿真一4 3 图4 9 输出功率随输入信号幅度变化4 3 图4 1 0t h d + n 随输出功率变化4 3 图4 1 1 双端桥式时静态与关断电流4 4 图4 1 2 单端模式时静态与关断电流一4 4 图4 1 3 版图整体布局示意图4 5 图4 1 4 提高电阻精确性的方法一4 6 图4 15 为提高电阻精确性版图的画法4 6 图4 1 6c m o s 工艺条件下双极性p n p 管的结构和版图实现4 6 图4 1 7p t a t 电流源和过温保护模块版图4 7 v i i i 硕十学位论文 图4 1 8 运算中输入差分对版图结构4 7 图4 1 9 多晶硅电容的版图结构图4 7 图4 2 0 运算放大器整体版图一4 7 图4 2 l 电压旁路模块版图结构4 8 图4 2 2 数字逻辑单元版图结构一4 8 图4 2 3p a d 及e s d 版图结构4 8 图4 2 43 d 控制模块的版图结构图4 8 图4 2 5 功率m o s 器件的版图4 9 图4 2 6 导通电阻随电源电压后仿真结果4 9 图4 2 7 芯片整体版图及其验证过程4 9 图5 1 芯片制造主要步骤示意图5 1 图5 2q f n2 4 脚封装说明及芯片照片5 3 图5 3 芯片测试用p c b 及完整测试电路5 3 图5 4 芯片整体测试环境及所用仪器照片5 4 图5 5b t l 模式下t h d + n 随输出功率变化测试结果5 6 图5 6s e 模式下t h d + n 随输出功率变化测试结果5 6 图5 7b t l 模式下t h d + n 随输入信号频率变化测试结果5 7 图5 8s e 模式下t h d + n 随输入信号频率变化测试结果5 7 图5 9 输出功率与d r o p o u t 电压测试结果5 8 图5 1 0b t l 模式时效率随输出功率变化的曲线5 8 图5 1 1s e 模式时效率随输出功率变化的曲线5 9 图5 1 2b t l 模式下无3 d 增强功能时的声道串扰测试结果5 9 硕士学位论文 附表索引 表2 1 芯片管脚功能定义及其说明1 3 表2 2 芯片主要预期性能指标1 5 表2 3 过温保护电路c o r n e r 分析极限值2 1 表2 4 数字逻辑控制模块引脚说明及逻辑关系2 8 表5 1 芯片主要预期性能指标测试结果：5 5 表5 2 芯片过温关断及重启测试结果6 0 表5 3 系统3 d 立体声增强功能测试结果一6 0 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 日期：力识穆年p 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，同意学 校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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 嚣：裙、 导师签名：四哆 日期：凇莎年够月加日 日期：洲年+ 月廖c 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 模拟集成电路设计方法 1 1 1 集成电路的发展 19 5 8 年7 月，美国德州仪器公司的j a c kk i l b y 产生了一个想法：晶体管和二 极管在硅或锗衬底上已能很好地实现，那么，能否做出电阻和电容呢? 如果可以， 就能够在同一片硅衬底上制造出一个完整的电路。这是一个好主意，但是他的方 法却略显得笨重。为了使不同的器件相互隔离，k i l b y 对硅衬底进行蚀刻，甚至 有些区域完全被刻通。他利用金线联接器件，而如此小尺寸的电路实在太难去把 握，以致于实现起来如梦魇一般。在专利申请过程中，他用简短的词汇随意描述 了或许可以用一层金薄膜，像做画一样把器件连接起来，但如何创作这幅精美的 三维立体山水画，专利中他只字未提。 正当k i l b y 为其电路在德州努力工作时，身在加州的r o b e r tn o y c e 也产生了 一个相似而且更成熟的想法。n o y c e 的切入点不是器件的大小，而是成本。他认 为：在晶圆上制造精密的晶体管是无意义的，不如将它们切割、封装、排列在电 路版上；如果电路版上的器件能够摆放在晶圆上，那么就会节约相当多生产步骤。 他一直把精力放在这个问题上，而没有深入研究如何实现电阻和电容。如何来解 决这个难题呢? 用线连接器件成本过高，显然有悖n o y c e 的初衷，因此硅片上的 器件的连接需要有比金线便宜得多的方式。他已意识到，在二维平面工艺中这个 问题已经被解决：用于连接电路版上器件的铝层同样可以充当硅片上的连线! a ) j a c kk i i b y 和他设计的i c b ) r o b e r tn o y c e 和其设计的i c 图1 1 历史上最早的集成电路及其发明者 1 9 5 9 年n o y c e 把他的想法记录了下来，并在专利中做了详绌说明。k i l b y 和 n o y c e 两人的专利无疑产生了冲突，随后两人所在的公司在法庭上兵戎相见，最 后以德州仪器胜诉，理由是k i l b y 曾在专利中提及“一层金薄膜”，如此看来就先 n o y c e 一召，胜诉理所当然。 立体声增强功能旨频功放芯片的设计与试制 由于在官司期间有关集成电路专利信息的泄露，以致两公司都未能收到任何 效益。最终两公司达成协议，声明k i l b y 和n o y c e 两人一起发明了集成电路。然 而，随后法庭又戏剧般地撤消了判决，宣布n o y c e 才是集成电路的发明者。 不论如何，当今所有的单片集成电路都是沿袭了n o y c e 的设想，而k i l b y 的 方法早就被人们所遗忘。值得注意的是，平面工艺的发明者j e a nh o e m i 对集成电 路的发明做出了不可磨灭的贡献，既使他本人从未意识到这点。由此我们不得不 说，平面工艺也是2 0 世纪伟大的发明之一。 19 9 0 年，年仅6 2 岁的r o b e r tn o y c e 与世长辞。十年后，j a c kk i l b y 因发明集 成电路而荣获诺贝尔物理学奖。 时至今同，在不到五十年的时间内，集成电路产业发生不可思异的变化：集 成电路的规模不断提高，c p u ( p 4 ) 己超过4 0 0 0 万晶体管，d r a m 已达g b 规模； 集成电路的速度不断提高，采用0 13 “mc m o s 工艺实现的c p u 主时钟已超过 2 g h z ，实现的超高速数字电路速率已超过1 0 g b s ，射频电路的最高工作频率已 超过6 g h z ；2l 世纪集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 成为开发目标、纳米器件与电路等领域的研究已展开，英特尔曾 于2 0 0 3 年1 1 月底展示了首个能工作的6 5 纳米制程的硅片；未来将会有越来越多 的产品采用6 5 纳米工艺i n t e l 公司2 0 0 4 年底宣布首次成功开发出15 纳米的晶体 管。i n t e l 的15 纳米晶体管基于c m o s 工艺，工作电压为o 8 伏，每秒可进行2 6 3 万亿次开关转换。i n t e l 计划在2 0 0 9 年开发出基于1 5 纳米晶体管的芯片，到时该 公司开发出的处理器将达到2 0 g h z 甚至更高。 单从集成电路产业的产值来看，影响着当前世界的经济。全球半导体贸易统 计组织( w s t s ) 对全球半导体市场的预测显示，预计2 0 0 6 年全球i c 市场增长 1 0 1 ，达到2 5 0 0 亿美元。同时，w s t s 预测2 0 0 7 年全球半导体产业增长率将上 升至1 1 ，2 0 0 8 年增至1 2 8 。 在漫漫的历史长河中，从没有另一个事物像集成电路这样了展迅速，而且对 人们的生活影响这样深刻。可喜的是，集成电路仍旧高速发展，相信数年或数十 年后，集成电路将再次改变我们的人活。 1 1 2 模拟集成电路 集成电路设计可分人两大类：模拟和数字。模拟信号为在连续时间范围内具 有连续幅度变化的信号，而数定信号是只在一些离散幅度值上有定义的信号，换 而言这，数字信号是些量化了的离散值。 在现在人们的生活中，好像一切都在数字化，尤其是在个人计算机出现后， 模拟电路面临更大的危机，于是在2 0 世纪8 0 年代初期，许多专家预言模拟电路将 消失。然而事实并非如此，模拟电路仍然存在，而且其发展速度毫不逊色于数字 硕士学位论文 电路! 原因很简单：我们的世界从根本上说是模拟的。数字电路的革命是建立在 模拟世界之上的，这点是永恒的真理。无论何时何地因何原因，你都需要把数字 系统与真实世界相接。 很不幸的是，数字电路在尽情地发挥其优势和魅力的同时，也深深地伤害了 模拟电路。目前，模拟电路设计者相对来说很少。在模拟电路设计时，就不得不 看数字电路的脸色，其带来的限制对模拟电路的设计影响甚大。 在集成电路设计中，电源电压不断降底，不仅仅对数字电路的速度带来了无 情的压力，高性能模拟电路的设计更像是被判了死刑。在3 5 0 n m ( 3 3 v ) 时，尚 有足够的空间来设计出高性能的模拟电路，即便没有5 v 电压时的完美。当工艺降 到1 8 0 n m ( 1 8 v ) 时，设计工作将费时费事且性能要打折扣。在1 2 0 n m ( 1 2 v ) 工 艺中，即使是性能很差的模拟电路也很难设计出来。而在9 0 n m 或者更小尺寸时， 模拟电路的设计如同大海捞针，是件不可能的事。 在众多的工艺当中，c m o s 工艺越来越多地被人们所接受和使用，c m o s 模 拟集成电路的设计也显得十分重要。 金属氧化物半导体场效应管的概念来源于j e l i l i e n f e l d 于1 9 3 0 年申请的 专利，这明显早于双极型晶体管的发明，无奈受制造技术所限制，直到2 0 世纪6 0 年代才走向实用。而互补m o s 的发明，更是引起了半导体工业的一场革命。 首先，c m o s 技术以其低功耗和容易按比例缩小等优点，很快地占据了数字 市场。紧接着的一个明显进步是将c m o s 技术应用于模拟电路设计。较低的制造 成本和在同一芯片上同时包含模拟和数字电路以改善整体性能以及降低封装成本 使c m o s 技术吸引了模拟电路设计者的目光。美中不足的是，它的缺点是速度慢， 噪声大，这使其应用受到限制。 然而，目前在模拟市场上占主导地位的又恰恰是c m o s 技术，其功臣又是器 件尺寸的“按比例缩小”，正是因为尺寸按比例缩小使m o s f e t 器件的速度不断提 高。在过去的3 0 年罩，m o s 晶体管本征速度的增加己超过了三个数量级，已经可 以与双极器件相比拟，尽管双极型器件的尺寸也一直在缩小。如今，几g h z 的模 拟c m o s 集成电路已随处可见。 1 1 3 模拟集成电路设计方法 模拟集成电路的设计与分立模拟电路设计是有很大差别的，模拟集成电路将 有源和无源元件制作在同一衬底上，这就使器件之间有很好的匹配。集成电路的 设计方式更为自由，有源和无源器件的几何尺寸都在设计者的控制之下，在设计 过程中这种控制赋予了设计者更大的自由度：集成电路设计无法用电路试验板验 证，所以设计者必须采用计算机仿真的方法来验证电路性能；此外，集成电路设 计中，设计者将会更多地受到与所用工艺相关的元器件类型的约束。 立体声增强功能旨频功放芯j i 的设计与试制 集成电路的设计总的来说有两种方法：自上而下和自下而上。两种方法各有 优点，不同的设计可选取不同的方法。在音频功率放大器项目中，考虑到项目 周期等因素，同时结合两种方法来进行设计。系统为数模混合电路，但模拟电路 部分占据主要地位。有关模拟集成电路设计的流程如图1 2 所示，总的来说分为四 步：电路设计、物理设计、制作、测试及生产。除加工制造外，其余过程均需要 设计者负责和参与。 j 习坷 图1 2 模拟集成电路设计的一般流程 1 1 3 1 电路设计 第一步是设计要求描述，即整个芯片功能的定义与综合，这一步相当重要， 因为其决定了设计的性能。对本文中的设计而言，在这一步中要根据应用信息明 确定义芯片引脚数目及相关功能，功率大小，t h d + n 等性能指标，3 d 功能实现等。 当系统参数定义完成后，就要进入电路设计过程。这一过程需要完成三项任 硕上学位论文 务：确定电路结构、确定每个器件的尺寸、确定直流电流( 功耗) 大小。如下图 1 3 所示。这里使用e d a 工具对电路仿真十分重要，它是设计过程构成整体所必需 的部分，对于电路的设计与分析起到了不可忽视的作用，因为在芯片制造以前它 是唯一能准确预测模拟i c 特性的方法。设计者要花相当长的时间交替进行仿真和 手工调整电路结构与参数，以提高电路的性能，此过程需要设计者对电路特性和 设计变量的定性联系和对电路特性具有深刻的理解。 电路或 系统定 义 审僦y 图1 3 模拟i c 设计中电路设计的主要任务 1 1 3 2 物理设计 集成电路设计的独特之处在于不只是需要懂得电路，尽管一个电路在电路图 级的定义和功能正常，但是如果物理设计的主要任务是设计电路版图，包括布局 和布线。由于其涉及硅品片物理特性、工艺规则、寄生参数影响等多重因素制约， 版图设计是一个即重要又具难度的过程。电路版图尤其是模拟电路的版图，对电 路性能有相当大的影响。为了能够鉴赏物理设计的精美之处，首先要对集成电路 版图及其设计规则有一个初步了解。 由于设计者要完成电路设计的整个过程，因此必须考虑所有相关因素，包括 物理版图的设计。设计中必须考虑元器件或寄生元器件对匹配的影响。设计步骤 中的物理层验证就是将版图与对应的电路相比较( l v s ) ，保证两者一致，而寄 生效应提取则将版图寄生电阻和电容以元器件形式加到电路中，和设计电路一起 仿真，即后仿真。 电路设计与物理设计重复交替进行，最后得出一个精美而复杂的几何图形， 用以下一步制作光刻掩膜板。本设计器件模型和设计规则采用华润上华集成电路 制公司的双多晶硅三层铝( d p t m ) 最小线宽o 5u m 的c m o s 工艺。 1 1 3 3 制作 制作及后续的批量生产都由集成电路制造公司来完成。制作过程包括掩膜板 制作、裸片制作、终测、封装等工序。最后得到预期的芯片。制作是一个极其复 杂而且精密的过程，其设备昂贵，周期长，对c m o s 工艺而言，裸片的制作就有 自黼 立体声增强功能旨频功放芯片的设汁与试制 上百道工序。本芯片的生产制作在华润上华公司完成。 1 i 3 4 测试及生产 在完成芯片的制作后，就要进行测试，测试的目的是验证所设计电路的正确 性，其性能指标是否达到预期值。如果测试结果与设计要求描述存在差别，就要 进行严格的失效分析，找出原因后重新进电路的设计及整个后续流程，直到两者 相一致。测试通过的芯片就可以批量生产，这一步依旧由制造公司完成。 1 2 音频功放的概念及分类 1 2 1 音频功放的发展 音频功放就是能将输入的声音信号放大、输出，能驱一定的功率的电声设备 如扬声器、耳机等的一个系统【z 】。目前音频功放已是相当成熟的领域，几十年来， 人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识 上都取得了长足的进步。音频功的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、 场效应管四个阶段瞄j 。 1 9 0 6 年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。 1 9 2 7 年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时 代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大 器的失真度大大降低，至上世纪5 0 年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期， 各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧 友所偏爱，但缺点是电源利用率极低，电子管a 类放大的效率不到l o ，c 类为 1 5 1 7 ，大部分电能变为热量耗散掉。由于耗电大，发热高，体积和重量大， 耗材多，成本高等缺点，在专业音响系统中己被晶体管功放所替代。 上世纪6 0 年代晶体管的出现，使音频功放进入了一片更为广阔的天地。晶体 管功放具有许多宝贵优点，它的失真低于万分之一，但其音质听感总不如电子管 功放那么逼真，细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐，弦乐和浑厚回 荡的钢琴曲方面感觉最明显。同一时间，美国首先推出音频功放技术中的新成员 一集成电路，短短的十年后，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点， 逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音频集成电路、运算放大集成电路被广泛 用于声音处理电路。 上世纪7 0 年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管 同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达9 0 d b 、t h d 小于0 0 1 ( 10 0 k h z 时) 的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末 级输出。 当前，数字功放成为了新一代的宠儿。数字功放的概念早在2 0 世纪6 0 年代就 硕士学位论文 有人提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。l9 8 3 年，m b s a n d l e r 等 学者提出了d 类放大的p c m ( 脉码调制) 数字功放的基本结构。主要技术要点是 如何把p c m 信号变成p w m ( 脉冲调宽信号) 。美国t r i p a s s 公司设计了改进的d 类 数字功放，取名为“t ”类功放，1 9 9 9 年意大利p o w e r s o f t 公司推出了数字功放 的商业产品，从此，第4 代音频功率放大器，数字功放进入了工程应用，并获得了 世界同行的认可，市场日益扩大。 1 2 2 集成音频功放的分类 按照输出级器件的工作状态，音频功率放大器可以分为a 类、b 类、a b 类和d 类等，下面逐一详细介绍。 1 2 2 1a 类音频功率放大器 a 类功放是最简单的放大器，同时也是最好的高质量音质重放设计线路之一。 其原理如图1 4 所示，晶体管的工作点在其线性部分中心，不论信号电平如何变化， 它从电源取出的电流总是恒定不变，这类放大器的效率非常低，最高输出振幅时 只有2 5 ，而信号电平较低时其效率更低。为确保安全性和可靠性，对它的稳定 性和电路的设计等提出了较高要求。因而，此类音频功率放大器一般都用在较高 档次的音响系统中。 图1 4a 类音频功放工作原理图图1 5b 类音频功放工作原理图 从结构上说，a 类音频功放有两种不同的工作方式其中一类是将两个射极跟 随器相连工作，其偏置电流不得低于在标称负载下流过的电流值，使其所有器件 均工作在线性区。它的优点是热功耗相对较小，但若负载阻抗低于标称阻抗，功 放会出现瞬间截止现象；另一类则是控制电流源型，它本质上是一个单独的射极 跟随器，井带有一个有源负载或无源负载，以达到适量的电流泄放。不过，这类 放大电路用作输出级时，在设计之前应把所要驱动的阻抗是多大弄清楚。 1 2 2 2b 类音频功率放大器 b 类放大器采用了两个晶体管，放大器的偏置使推挽工作的晶体管在无驱动 信号时，处于低电流状态，当加上驱动信号时，对管中的一只半周期内电流上升， 市体声增强功能音频助放芯片的设计j 试制 而另一只管子则趋向截止。到另一个半周期，情况相反，由于两管轮流工作，必 须采用推挽电路才能得到完整的信号波形。b 类放大器的优点是效率较高。理论 上可达7 8 ，缺点是失真较大。因晶体管的瞬态传输特性所致。经切换处理后的 两个半波不能完美的重新组合，从而导致众所周知的交越失真，这种失真使音质 严重下降。上图1 5 为b 类音频功放工作原理图。 1 2 2 3a b 类音频功率放大器 在上述分析中，a 类功放工作在线性区，失真小音质高，但功耗过大，而b 类 功放效率高，却存在交越失真，音效不够完美。为了解决这些问题，人们巧妙地 将a 类和b 类功放结合在一起，形成了a b 类功放【4 、5 】。它集合了a 类和b 类功放的 优点也避开了其缺点。 a b 类功放的静态工作电流介于a 类与b 类之间，具体取值取决于偏置电流的 大小和输出电平。它的偏置电路与乙类没有太大的变化，甚至有的功放是完全相 同的，但它的偏置电流要比b 类稍大，以便功放进入a b 类工作状态。a b 类功放在 输出电平低于设定电平( 即设计时确定的值) 时，输出功率管均工作于微导通状态， 其交越失真远小于b 类；当输出电平超过设定阈值时，与相同状态的b 类是一样的， 其输出功率对管的一支完全截止，另一支则须提供全部的工作电流，虽然它此时 的线性已不及a b 类功放，但它可较好地驱动低阻抗负载，是a 类功放的补充。 正是因为a b 类功放兼顾了b 类功放的效率和a 类功放的线性度，在绝大多数 末级功放器件中被以各种不同的形式使用。 1 2 2 4d 类音频功率放大器 d 类音频功放【6 、7 1 ，实际上是一种开关型音频功放，它的输出功率管工作于开 关状态，即有激励信号输入时，输出功率管饱合导通，其内阻接近于零；没有输 入信号时，输出功率管的工作电流几乎为零，其内阻很大，接近于无穷大。这样， 就可以使功率输出管的功耗大为减小，效率大幅度提高，在理想的情况下，其效 率可接近1 0 0 【8 9 1 。 图1 6d 类音频功放工作原理图 上图1 6 为d 类音频功放的基本组成框图。它的前级有别于传统音频功放，其 工作频率超过音频，可控制信号的占空比，用平均值代表音频信号的瞬变电平， 硕上学位论文 形成脉冲宽度调制信号，这种电路称为脉冲宽度调制电路。d 类音频功放的电路 形式有很多种，而通常采用一个电压比较器电路来完成脉宽调制，即比较器的正 相端输入三角渡作为基准信号，反相端输入音频信号，经比较器处理后，即可在 比较器的输出端输出一系列与输入信号幅度相对应的、不同宽度的脉冲信号。该 脉冲调制信号经缓冲放大后。再由输出功率管进行脉冲功率放大，输出的大功率 脉冲调制信号经一个截止频率裉陡峭的l c 低通滤波器，消除绝大部分的非音频信 号，得到与输入音频信号极相似的信号去驱动扬声器发声。不过，为了将失真度 控制在人耳不易觉察的程度，目前d 类音频功放的采样频率一般取得较高，这样 势必会有一定量的电磁辐射，会干扰其他电子器材。若充分考虑保真度，其l c 滤 波器中至少需用4 个电感，这样成本会增加，而且它仅对某些特定负载阻抗保持平 坦的频率响应。从而导致主观听感达不到较为理想的效果。 总之，虽然d 类音频功放的线性度不是很好，但较高的效率充分吸引着人们 的目光，近年来人们做了大量的研究，d 类功放已成为未来发展的趋势。 1 2 2 5 其它类型的功放 以上介绍的是常用的四类音频功放，此外，还有g 类和h 类，以及s 类和t 类 等音频功放。其中g 类音频功放电路与a b 类、b 类音频功放十分相似，只不过它 采用了动态电源，即供电电压根据输出信号的振幅不断地作调整，因而输出功率 管的工作管压降较低，这样既可以满足实际要求，又可提高效率。h 类与g 类功放 差不多，它是利用自举电路，动态地提升单供电电压而不用转换到另一个电压源 上，以达到提高效率、减小失真的目的。 s 类音频功放是由奥布旱桑德曼( a u b r e ys a n d m a n ) 博士设计并命名的一种音 频功放。它采用一个带负载能力非常有限的a 类放大电路作电压放大器，后接一 个b 类放大器作电流放大，使其负载阻抗较高，大大地减小了交越失真和其他失 真，且无须对输出功率管进行偏置。可见，s 类音频功放既有b 类音频功放的低功 耗、高效率，又有a 类音频功放低失真的特点。从某种意义上说，t 类音频功放是 d 类功放的延伸，它的输出功率管也只工作在饱和导通和截止两种状态，故其效 率也很高，不一样之处是它在芯片内集成了复杂信号处理的超大规模集成电路。 1 3 音频功放的研究现状 在上节中对音频功放作了详细分类，如果按照信号类型来划分，则大致可以 分为两类：模拟音频功放、d 类音频功放，纯数字功放。 模拟音频功放主要包括a 类、b 类和a b 类等。纯粹的a 类和b 类功放除了在特 殊场合应用外不多见，而a b 类是a 类和b 类优点与缺点的折中，依靠其优异的性 能，目前仍占据大部分的市场份额，即使在数字功放的冲击下，a b 类功放仍将保 立体声增强功能爵频功放芯片的设计与试制 持其市场。a b 类音频功放目前主要的研究方向有： 1 降低功耗。a b 类功放的电路结构绝大多数是模拟集成电路，可以利用低 压低功耗模拟电路的设计理念来设计，在保证音质、效率及输出功率的同时尽可 能地减小功耗【l 。 2 音频系统。鉴于a b 类音频功放的高音质和电路简单特性，可以开发一定 功能的音频子系统。可以把多个音源输入和多个输出能道集成于一个芯片，另外 也可以集成一此控制电路，如1 2 c 。使其应用于高端电子产品中。 d 类放大器在过去的几代产品中已经得到了巨大的发展，系统设计者极大地 改善了系统的耐用性并提高了其音频质量。在传统d 类放大器中，用控制器将模 拟或数字音频信号在被集成到功率后端设备中的功率m o s f e t 管放大之前转换成 p w m 信号。这些放大器效率很高，使用很小的散热器或根本不需要散热器，且降 低了对电源输出功率的要求。然而，与传统的a b 类放大器相比，它们本身也存在 固有的问题】，解决这些问题就是d 类放大器的发展新趋势，这些问题主要有： ( 1 ) 降低e m i 。自从d 类放大器诞生以来，由于其自身的轨对轨( r a i l t o r a i l ) 供电开关特性而引起的大量辐射e m i 就一直困扰着系统设计者，这