采用双外延悬浮PNP管输出的八通道音频功率放大电路的设计PPT学习教案

1、采用双外延悬浮PNP管输出的八通道音频功率放大电路的设计课题的背景与意义 随着科技水平的提高，功率集成电路发展迅速。功率集成电路(PIC)是指将高压功率器件与信号处理系统及外围驱动电路、接口电路、保护电路、检测电路等集成在同一芯片上的集成电路。音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分。而音频功放设计也一直是集成电路中的一个热门课题，最简单的电路有时可以提供最佳性价比方案。虽然市场上已有众多新的低功率扬声器表现出向D类音频性能发展的趋势，但就低成本、低失真和低噪声而言，AB类音频功放仍然最有竞争力。 本设计采用先进的工艺技术，在不增加芯片面积的情况下，达到了极高的输出功率。同时可以此工艺

2、为平台，进行相关产品的系列化生产，从而推动功率放大电路的发展进入一个新的里程。第1页/共24页电路设计 1.电路结构框图 第2页/共24页2.具体功能模块（1）采用了PNP差分对管的输入级 第3页/共24页（2）输出级设计 常规功放电路输出级结构 本电路采用PNP管输出结构 VCCGNDOUTT1T2T3VCCGNDOUTT1T3第4页/共24页(3)输出过载保护的设计 第5页/共24页(4)输出对地短路保护电路 第6页/共24页(5)输出对电源短路保护电路 第7页/共24页(6)输出限幅电路 第8页/共24页（7）静音功能电路 第9页/共24页3.电路仿真 同相放大器输入波形 ，其Vin=2

3、00mV。 第10页/共24页同相放大器输出波形，其Vout=2.31V。故： 2.31VVout11.55A200mVVin第11页/共24页反相放大器输入波形，其Vin=198mV。 第12页/共24页反相放大器输出波形，其Vout=2.23V。故： 2.23VVoutA11.26198mVVin第13页/共24页工艺设计 悬浮PNP管工艺进展 前面已经分析过，采用悬浮PNP管作为输出管，可以降低电路饱和压降，提高电路输出功率。但是，如何解决PNP管在大电流工作下的放大能力以及饱和压降问题呢？早期悬浮PNP管采用单外延工艺，其饱和压降受制于集电极浓度，无法做的很小。当采用双外延工艺制作悬浮

4、PNP管的技术出现后，悬浮PNP管饱和压降就可以做的很小，且电流能力较强，因此双外延悬浮PNP管可以直接用作输出管。这样，既可以提高电路输出功率，又可以减小芯片面积，降低成本。 目前国外及国内只有少数几个厂家掌握双外延工艺，并且均采用锑埋工艺技术，而锑埋浓度不能做的较淡，否则悬浮PNP管集电极与衬底容易穿通失效，锑埋浓度做浓的后果会补偿较多的硼埋（即悬浮PNP管集电极）浓度，这样就限制了悬浮PNP管饱和压降进一步减小，影响了电路输出功率的进一步提高。第14页/共24页常规锑埋双外延悬浮PNP管纵向剖面图 第15页/共24页 磷埋双外延工艺 本设计电路为了减小输出悬浮PNP管饱和压降，提高电路输

5、出功率，采用了磷埋技术的双极型悬浮PNP管双外延制作工艺，即在制作悬浮PNP管的双外延工艺中采用掺磷埋层技术。因磷埋剂量较淡，可补偿较少的硼埋（即悬浮PNP管集电极）浓度，从而降低集电极电阻，降低悬浮PNP管饱和压降。第16页/共24页采用磷埋双外延悬浮PNP管纵向剖面图 第17页/共24页 通过比较以上两图，我们可以看出，在采用锑埋技术的双外延工艺中，因锑埋浓度较硼埋一大，因此，锑埋补偿硼埋一较多，造成硼埋一剩余杂质总量较小；而在采用磷埋技术的双外延工艺中，因磷埋浓度较硼埋一淡，因此磷埋补偿硼埋一较少，硼埋一剩余杂质总量较大。而决定悬浮PNP管饱和压降的，主要是硼埋浓度（硼埋一+硼埋二），硼

6、埋浓度越浓，悬浮PNP管集电极串联电阻越小，饱和压降也就越小。因此采用磷埋技术的双外延悬浮PNP管，其饱和压降肯定优于采用锑埋技术的双外延悬浮PNP管。 我司通过单管实验，比较了采用磷埋双外延工艺制作的悬浮PNP管与采用锑埋工艺制作的悬浮PNP管，发现在相同的悬浮PNP管面积下，磷埋工艺比锑埋工艺管子饱和压降减少约20%。数据如下：悬浮PNP管面积均为692*124m2，常规锑埋工艺饱和压降为0.22V/Ic=100mA；磷埋工艺饱和压降为0.18V/Ic=100mA。因此，达到相同的饱和压降，采用磷埋技术的双外延工艺制作的悬浮PNP管，其面积可比采用锑埋技术缩小约20%，这在半导体集成电路产

7、品成本压力日益增大的今天，无疑将产生极大的竞争力，从而有利于推动功放类集成电路不断向更高要求发展。 第18页/共24页磷埋双外延工艺流程 第19页/共24页电路测试 1.1.器件参数测试 该电路采用2um双极双层布线工艺流片，选用ASML 5：1光刻机，流片周期约45天。圆片首流批完成后，通过晶体管特性图示仪进行元器件参数的测试。从所测参数可看出，基区沟道电阻规范为2040K，实际测量值为55K，超出规范。初步分析系NPN偏大引起。因为基区沟道电阻结构与NPN管类似，当NPN管偏大时，发射结较深，有效基区宽度较小，导致基区沟道电阻偏大。基区沟道电阻只是一个常规监控参数，本设计电路中并无用到该器

8、件，因此基区沟道电阻偏大对本电路无影响。 第20页/共24页 2.性能参数测试 电路静态电流（Icc）及滤波电位（VsvR）正常；输入失调电压（Vos）较为离散，在575 mV内波动，这与工艺线的工艺控制水平有关，但波动值全部小于100mV，用户可以接受。电路输出电压为10V左右，即输出功率： 满足设计指标。并且电路过温、过压及各种输出保护功能均正常。2OOP =U /R=25W第21页/共24页总结 本文完成了一个采用双外延悬浮PNP管输出的八通道音频功率放大电路的设计，包括电路模块设计、电路仿真、工艺实现以及电路测试。 首先，本文分析了音频功率放大器的市场背景、发展趋势及主要参数指标，并对音频功率放大器的原理和分类进行了阐述，在此基础上着重分析了AB类音频功放。 其次，在电路的线路设计中，采用模块化设计方法，将电路分解成输入级、电压放大级、输出级、偏置电路、保护电路等一些功能模块。仿真结果验证电路能够满足上述指标要求。在电路的工艺设计中，采用了可以有效减小输出悬浮PNP管饱和压降的磷埋层双外延工艺。在电路设计前的单管工艺实验中，发现在相同的悬浮PNP管面积下，磷埋工艺比常规锑