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一款车载音频功放芯片的设计与实现


西安电子科技大学 硕士学位论文 一款车载音频功放芯片的设计与实现 姓名:沙李鹏 申请学位级别:硕士 专业:微电子学与固体电子学 指导教师:胡辉勇 20090101

摘要

摘要
本文针对车载多媒体娱乐系统的音响驱动而设计了一种新型的音频功率放大 器芯片,目的是为了设计出一种失真度小,输出功率大,效率高的四通道音频功 放芯片。该芯片最大输出功率可高达42w,采用了AB类互补推挽输出结构,内部
有Miller补偿,可保证闭环稳定性。

该款音频功率放大器芯片内部还设有温度保护电路,过流保护电路,过压保 护电路,对芯片实施了三重保护措施,在输出大功率的时候可保证芯片不被烧坏。 此外,本电路还有静音旁路,能够很好的抑制上电过程中常出现的POP声。该电 路设计采用了经典的电路结构,保证了大功率输出时的低失真度,同时具有115dB 的开环增益,4A的输出电流容量等性能指标。 该芯片具有偏置电路,输入级,输出级和保护电路四大主要模块以及共模放大 器(CMA)和电容(ICM)等辅助模块。依据芯片电学特性的要求,对各个模块电路结

构进行了分析研究。基于BCD公司的2朋36V

Bip01ar高压工艺,结合Bipolar

的工艺特点和要求,应用Cadence软件,对各模块和整体电路进行了模拟仿真, 其中失调电压为0.538mv、相位裕度为50。、谐波失真为0.5%、电压抑制比为 一70dB、效率为58.1%。以上结果表明该芯片满足设计要求。

关键词:音频功率放大器CI ass—AB输出级过温保护

限流保护

失真

ABSTRACT

ABSTRACT
A new-type of fourfold audio elec缸Dn multimedia system in tIlis

power锄plifier
p印er,a11d

haLs

been designed
aS aIl

for me

caur

it haS been designed

audio power
can

锄plifier
42W

witll me f.eatures of lligh

power锄d 11i曲emciency.Tms chip

supply

power,wllich has class—AB output stage,a11d wim

Miller conlpensation硫emal

to guaraIltee

me stability of close loop.

删s

audio

power锄plifier

haS iIltemal current it is

1imit、Ⅱlemal

shutdown

aIld
or

oVer-Voltage protection

circuit.When

deliV舒ng 11i曲ou印ut

power to the 10ad
or

driVillg nonlinear reactiVe loads,the degradation of me output transistor failure of theⅥ,h01e circuit may

catas仰p11ic
circuits.In
on

h印pen

without those

int锄al protection

addition,the proper mute bypaSsing is critical for POP noise perfomlance The design takes adVantage of adVanced circuit

power.

tecⅢques
m曲output

and process techn0109y t0 power.The cllip also haS
so on.

acmeve eX仃emely 10w distortion levels
the f0110wing

eVen

at

fIe舭es:open 10叩g血of 11 5dB,cu玎肌t c印ab订ity of 4A,and

The cllip is made up of the bias circuits,input stage,ou单ut stage,protect circuit,

co删:non—mode aⅡlpli丘er(CMA)aIld c印acitance(ICM)module.AccordiIlg
electricity

t0 the

charact舐stics

of the

cKp,c毗uit stmcture

of each module is aIlalyZed.

Based on廿le 2乒删36V Bip01ar

hi曲tecllll0109y

of the BCD conlpally and combiIling

the Characteristics and requirement of Bip01ar Cadence,each module a11d wh01e circuit
are

simulated by Candence,me result is that of-fset Voltage is O.538 mV,phase margin

is 50 the

o,ha彻011ic

distonion is O.5%,v01tage power

source

r白ection ratio

is一70dB a11d

emciency

is 58.1%.The results show that me chip meets the design requirements.

Keywords:Audio power amplifier Thermal protectiOn

Class—AB output stage Distortion

Current limit

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秉承学校严谨的学分和优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说
明并表示了谢意。

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本人签名:洼查魈
西安电子科技大学

日期妒7,.厶二7

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本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内 容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证,毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。
(保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密,在

年解密后适用本授权书。

本人签名:沙鸯)3f4乌
导师签名:

日期加7.2、z 7

日期上灶

第一章绪论

第一章绪论
集成电路是相对于分立电路而言的,就是把整个电路的各个分立元件以及相 互之间的连线集成在一块半导体芯片上,组成一个不可分割的整体,与由晶体管 等分立元件组成的电路比较,它体积更小,重量更轻,功耗更低,并且价格也比 较便宜。所以集成电路的问世,是电子技术的一个新的飞跃,进入了微电子学时
代,从而促进了各个科学领域先进技术的发展。

随着电子技术的进步及汽车市场的发展,人们希望汽车不仅仅是一种代步工 具,车载多媒体系统已成为汽车发展的趋势。由于人们对汽车节能、安全、舒适、 便捷和豪华的追求,对汽车的性能也提出了更高的要求。而汽车音频娱乐系统、 车载通信系统是汽车电子的重要组成部分。近年来,微电子技术的飞速发展,特 别是微型计算机技术的巨大进步,将电子技术和传统的机械相结合,使得汽车的 环保、节能、安全、舒适、便捷和智能化等方面的问题均能得到很好的解决。目 前,电子技术的应用几乎已经深入到汽车的所有系统,其中车载汽车电子音频系
统尤为突出。

1.1国内外现状与发展趋势
功率放大器是一种能给出相对来说较大电流或电压的放大器,广泛的应用于 音频系统“。,音频功率放大器在生活中有着广泛的应用,而且越来越重要,它 提高了我们的生活质量,已经变得与我们的生活息息相关。目前,音频功率放大 器仍以模拟功放为主流产品。模拟音频功率放大器经历了数十年的不断改进和完
善,其技术已发展到了顶峰,其发展已经有50余年的历史了”。。

早在60年代以前,出现的真空管功率放大器一直占据着主导地位,其工作方 式分别采用A类(甲类)或AB类(甲乙类),并由变压器与负载进行耦合。这一趋势, 随着半导体技术的发展,其性价比将达到~个非常合理且可以被广大消费者接受
的程度。 随后,使用锗器件的设计首先出现,但是由于锗管在高温时容易损坏而严重

地受到限制,热逃逸这个词就是从这里产生的。之后硅材料的NPN型半导体三极 管出现,在一段长时期内,绝大多数功率放大器采用了此类管用于功率放大级的 推挽工作中,但是仍然要依赖于输入和输出的变压器进行耦合。显然,这些变压 器往往是笨重而价高的,线性不佳的,再加上其低频和高频相移,严重地限制了
可安全使用的负反馈量,从而限制了其应用。

后来,人们逐渐发现在功率晶体管和扬声器之间的阻抗匹配上,无需再采用

一款车载音频功放芯片的设计与实现

变压器了。于是出现了无变压器的Lin氏电路组合,从而构成了准互补输出级。 因为当时已有相当不错的PNP晶体管在市场上出现,而功率输出器件采用NPN型 管可做成推挽式电路。 随着现代微电子技术的不断发展,功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。

特别是半导体技术的不断进步,使功率放大电路向模块化、小型化、集成化的方
向发展‘¨。

功率放大器通常根据其工作状态可分为五类,即A类、AB类、B类、C类和D 类。在音频功放领城中,前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入,放大后将 此信号用以推动扬声器发声。D类放大器比较特殊,它只有两种状态,不是通就
是断。因此,它不能直接输入模拟音频信号,而是需要把信号经过某种调制变换

后再进行放大。人们把此种具有“开关”方式的放大器,称为“数字放大器"。 低失真,大功率,高效率是对功率放大器提出的普遍要求。D类功率放大器 工作于开关状态,理论效率可达100%,实际的运用也可高达80%以上。功率器件 的耗散功率小,产生热量少,可以大大减小散热器的尺寸,连续输出功率很容易 达到数百瓦。功率MOS具有自我保护电路,而且不会引入非线性失真。近几年来, 国外公司对D类功率放大器进行了研究和开发,提出了一些方案,但是尚存在一 些难度,由于采用P1】|『M调制方式,为了提高音质,降低失真,必须提高调制频率, 但是在较高频率下,会产生一定的问题,同时,D类功率放大器对器件的要求较
高,不利于降低成本一。。

模拟功率放大器通过采用优质的元件,复杂的补偿电路,深度的负反馈,使 失真变得很小,但大功率和高效率一直没有很好的解决。而且传统的音频功放工 作时,直接对模拟信号进行放大,工作期间必须工作于线性放大区,功率耗散较 大,这都可以通过采用推挽输出结构来减小功率器件的承受功率,但在较大功率
情况下,仍需设计复杂的补偿电路和过流、过压、过热等保护电路来保证芯片的

正常工作,面积较大。 虽然模拟功放始终无法解决效率、成本、非线性失真这三者之间的矛盾,但 今天的功放和音箱仍然是模拟统治的天下。原因是数字功放(D类功放)在价格上 偏高,远远超过了普遍大众的接受能力。因此,从世界水平来看,现有的功放仍 停留在模拟放大的水平上,而数字功放技术尚未大规模商业应用。 音响产品的数字化是必然趋势。由于数字功放有很多优点,如体积小、功率 大、效率高、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰、实现高保真
等。在数字音源己经大量普及的时代,数字功放将会取代现有的模拟功放。

第一章绪论

1.2课题的目的和意义
由于音频功放芯片在生活中应用较为广泛,所以性能优良的音频功放芯片将 有良好的市场前景。功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之间存在着矛 盾。设计大功率音频功率放大器,必定会遇到以下几个方面的问题“。: (1)效率要高。由于输出功率大,因此直流电源消耗的功率大,这就存在一 个效率问题。所谓效率问题就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率
的比值。这个比值越大,意味着效率越高。

(2)非线性失真要小。功率放大电路是在大信号下工作,所以不可避免地会 产生非线性失真。而且同一功放管输出功率越大,非线性失真往往越严重,这就 使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。 (3)晶体管散热问题。在功率放大电路中,有相当大的功率消耗在管子的集 电结上,使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大
的功率,放大器件的散热就成为一个重要问题。

(4)要求输出功率尽可能大。为了获得大的功率输出,要求功放管的电压和 电流都有足够的输出幅度,因此管子往往在接近极限运用状态下工作。 (5)功率管保护问题。由于输出功率大,输出功率管承受的电压高,流过的
电流大,功率管损坏的可能性也就比较大,所以输出功率管的损坏与保护问题也 不容忽视。

本文设计了一个4×42w的车载汽车电子的音频功率放大器芯片,通过采用 一些经典的桥式电路结构,在输出功率、效率和非线性之间获得折衷,以获得失 真度小、开环增益高、电流容量大、转换速率快、输出电压摆幅大的性能指标。

1.3论文的组织结构
本论文详细阐述了该音频功放各模块的结构和工作原理,重点在减小功放的 非线性失真、输出功率管的保护以及过载、限流、过温等安全保护措施方面,本
论文共分六章:

第一章是绪论,主要阐述音频功放的现状及本课题的意义。 第二章阐述了音频功放的主要电学特性、工作类别及各自的优缺点。 第三章基于对芯片电学特性的分析研究,设计出了该芯片电路的系统框图,
在此基础上,设计出满足性能要求的整体电路结构 第四章对整体电路系统进行了模拟仿真。

第五章是工艺选取与版图设计。阐述了版图设计时,尤其是设计输出功率管



一款车载音频功放芯片的设计与实现

时应注意的事项。最后给出了芯片的整体版图布局。 第六章对本文开展的工作做出总结。

第二章音频功率放大器的电学特性



第二章音频功率放大器的电学特性

在多级放大电路中,输出的信号往往都是送到负载,去驱动一定的装置。例 如,这些装置有收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视 机的扫描偏转线圈等。多级放大电路除了应有电压放大级外,还要求有一个能输
出一定信号功率的输出级。这类主要用于向负载提供功率的放大电路常被称为功 率放大电路。

一般放大电路主要用于放大信号的电压或电流,而功率放大电路则主要实现 信号的放大,以便送到执行机构中去完成某种任务,如使扬声器发声、继电器动
作或仪表指示等。

音频功率放大器是一种十分常用的电子电路,广泛应用于家庭影院、音响系 统、立体声唱机、伺服放大器、乐器系统、车载娱乐系统、手机、掌上电脑以及 工业制造中的机械系统、电机驱动等电子系统。

2.1音频功率放大器的分类
长期以来,高品质音频放大器的工作类别,只限于A类(甲类)和AB类(甲乙 类)。其原因在于过去只有电子管这样的器件,B类(乙类)电子管放大器产生的失 真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真放大器 均工作于推挽式的A类(甲类)¨。。 随着半导体器件的出现和发展,放大器的设计得到了更多的自由。就放大器 的类别而言,已不限于A类(甲类)和AB类(甲乙类),而出现了更多类别的放大器。 就目前来说用于音频功率放大器的工作类别,A类(甲类)、AB类(甲乙类)和B类(乙
类)这三类放大器仍覆盖着半导体放大器的绝大多数。

2.1.1

A类放大器

A类(甲类)放大器,是指电流在整个周期内连续地流过所有输出器件的一种放
大器。 A类放大器,由于避免了器件开关所产生的非线性,只要偏置和动态范围控制

得当,仅从失真的角度来看,可认为它是一种良好的线性放大器。 A类放大的典型工作状态如图2.1所示。右边为晶体管输入特性,固定偏置所
形成的直流工作点在Q点,此时f.≥0。

一款车载音频功放芯片的设计与实现

图2。l A类放大器典型工作状态图

在A类放大电路中,电源始终不断地输送功率,在没有交流信号输入时,这

些功率全部消耗在管子(和电阻)上,其损耗为,m׉,并转换为热量的形式耗散
出去。当有正弦音频信号输入时,且其幅度未超出放大器的线性范围,输出功率

管集电极工作状态处于截止区和饱和区之间,集电极电流为完整的全周导通的正 弦波,其导通时间是100%,这种状态失真度较小,只受器件特性曲线的影响,若
器件线性好则失真小。但是,总功率中只有一部分转化为有用的输出功率,输入

信号越大,输送给负载的功率愈多,即使在理想情况下,A类放大电路的效率最高 也只能达到50%,所以这种A类功率放大器仅用于很小功率的收音机、助听器中,
也有用于高级的Hi-Fi功放中“1。A类放大器电路结构如图2.2所示。

VEE

图2.2 A类放大器电路结构图

2.1.2

B类放大器

B类(乙类)放大器,是指器件导通时间为50%的一种工作类别。

第二章音频功率放大器的电学特性

从A类放大器可以看出,静态电流是造成管耗的主要因素,也是A类放大器 效率低的原因。B类放大的典型工作状态如图2.3所示。

图2.3

B类放大器典型工作状态图

B类放大器是把静态工作点偏置为Q点,处于截止点上,此时0=O,使信号 等于零时电源输出的功率也等于零(或很小),有信号增大时电源供给的功率也随 之增大,这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变,效率超过50%,理 想情况下可达78.5%,也就改变了A类放大时效率低的状况。 但是当有信号输入时,输出功率管只有半周导通,集电极输出半个正弦波, 这种状态的失真度就很大了,所以一般B类放大器都用双管做成推挽式结构,每 管工作半周构成完整的正弦波以减小失真.但由于没有直流偏置,B类放大器必定 会出现交越失真,即输入信号低于某一电平(即门坎电压,NPN硅管约为O.7V,PNP
硅管约为O.6V)时,两个输出功率管Z和正均截止,如图2.4所示。



?_㈠


一涮‘


w-

夺瞧,备、 交越失真V
(a)B类推挽输出电路 (b)有交越失真的输出波形

图2.4推挽式B类放大器输出电路

~款车载音频功放芯片的设计与实现

2.1.3

AB类放大器

AB类(甲乙类)放大器,实际上是A类和B类的结合。每个功率管的导通时间 在50%~loo%之间,依赖于偏置电流的大小和输出电平。
AB类放大器是在B类设计基础上,增加偏置电流,使放大器进入AB类,这也

是克服B类放大器交越失真的一种方法¨1。其电路结构如图2.5所示。
譬eC



图2.5 AB类放大器电路结构

AB类放大器的典型工作状态如图2.6所示。AB类放大器是把静态工作点偏置 在Q点,有半个周期以上0>o。AB类放大器,在输出低于某一电平时,两个输出 功率管皆导通,其状态工作于A类;当电平增高时,一个功率管将完全截止,而 另一个功率管将供给更多的电流。这样在AB类状态开始时,失真将会突然上升, 其线性劣于A类或B类。由于两输出功率管均少量正向导通偏置,故其效率低于B 类,不能做到高达60%~70%,不过它的正当使用在于它对A类的补充,且当面向 低负载阻抗时可继续较好地工作。

图2.6

AB类放大器典型工作状态图

第二章音频功率放大器的电学特性



2.1.4

C类放大器

C类(丙类)放大器,是指器件导通时间小于50%的工作类别。 C类放大的典型工作状态如图2.7所示。C类放大器是把静态工作点Q偏置在 截止点之下,当有信号输入时,只有超过偏置点稍许,管子才导通,效率更高, 但由于失真过大,难以用于音频功放,多用于高频功放作为倍频用,或用于射频
放大。



’ 、,



图2.7

C类放大器典型工作状态图

2.1.5

D类放大器

D类放大器又称为数字放大器,采用PWM调制方式,工作于开关状态,无信号 时无电流,而导通时,没有直流损耗,直接对数字语音数据实现功率放大‘91‘101
n1】

事实上D类放大器由于关断时器件尚有微小漏电流,而导通时,器件并没有 完全短路,尚有一定管子压降,故存在较少的直流损耗,效率不能高达100%,实
际在80%~90%,是实用放大器中效率最高的。

D类放大器需要模/数转换电路将音频正弦信号先变为脉冲方波,从而进行放 大,再接一个低通滤波器滤去脉冲波的高频部分,得到基波成分,也就是一个数 模转换电路。但是,实际困难还是非常大的。从失真的角度来看,为保证采样频
率的有效性,必须将一个具有陡峭截止频率的低通滤波器,插入放大器与扬声器

之间,以消除绝大部分的射频成分,这至少需要4个电感(考虑立体声),成本自 然会很高。此外,表现在频率响应方面,它只能对某一特定的负载阻抗保证平坦
的频率响应“一。

10

一款车载音频功放芯片的设计与实现

D类功率放大器结构如图2.8所示。

图2。8

D类功率放大器结构图

2.2音频功放的电学特性
放大电路实质上都是能量的转换电路。从能量控制的观点来看,功率放大电
路和电压电流放大电路没有本质的区别。但是,功率放大电路和一般放大电路所

要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压 信号,讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等,输出功率并不一定大。
而功率放大电路则不同,它主要要求获得一定的不失真(或失真较小)的输出功

率,通常在大信号状态下工作,因此功率放大电路包含着一系列在电压放大电路 中没有出现过的特殊问题,要求输出功率尽可能大,效率要高,非线性失真要小 以及散热问题等。
音频功放的技术指标,主要包括输出功率、频率特性、瞬态响应以及非线性

失真等。其中,输出功率和频率特性等,通常称为静态特性指标,它们是用稳态
信号测量的;而瞬态特性和非线性失真等,则称为动态特性指标,它们是用非稳 态信号测量确定的“一。

2.2.1静态电学特性

第二章音频功率放大器的电学特性

一、输出功率

按照音频功放输出功率的表示方法来说,常见的有额定输出功率(PMS),最大
输出功率和峰值音频输出功率(PMPO)等。 额定输出功率是指在有效音频范围内(20Hz一20kHz),当产生额定总谐波失真

时,在额定负载阻抗上产生的功率。它在给定总谐波失真指标下,由供电电压、

功率管特性及所接负载大小决定。表达式为:只=u;/R。,乩为负载两端的最大
不失真电压,R,为额定负载阻抗。 最大输出功率是指在不考虑失真度指标的情况下,音频功放可连续输出的最 大功率,亦即不受失真限制时音频功放给出的最大功率。 峰值音频输出功率,也就是通常所说的PMP0功率。它是为了反映音频功放对
实际音频信号处理能力而提出来的。峰值音频输出功率是指在一个极短的持续时

间内,功放输出的最大瞬态功率。其大小通常为额定输出功率的8~lO倍。 通常人们关心的是额定输出功率,这个指标更有实际意义。
二、频率特性

音频功放的频率特性,是反映它对不同信号频率放大能力的物理量。通常采 用输出电平随频率变化的函数曲线来描述,指的是振幅频率特性,习惯上称为频 率特性或频率响应(简称为频响)。 放大器的电压增益相对于中音频厶(1KHz)的电压增益下降3dB时所对应的 低音音频.疋,和高音音频.厶称为放大器的频率响应。

2.2.2动态技术参数
一、转换速率 转换速率SR(S1ew Rate)是反映音频功放瞬态特性的一项技术指标。它表示给

放大器施加一个输入电压后.在1us时间内,放大器输出电压的变化,单位为V/us。 通常用于衡量放大器对输入脉冲信号做出迅速反应的能力‘1蚰。
二、总谐波失真 音频功放的总谐波失真,主要是由功率管的非线性,静态工作点不合适或信

号过大而引起的。其明显的特征是在输出信号中,出现了输入信号中原本没有的
频率成分,属于~种非线性失真。

总谐波失真(THD)的大小,可用各次谐波之和的均方根与基波有效值的百分比
来表示,即:

强∞=U曙+曙+…+砰办)×100%

(2.1)

式中,K为基波信号有效值,砭、匕……圪分别为2、3……n次谐波有效值。

12

一款车载音频功放芯片的设计与实现

前者为输入信号,后者为由非线性失真引入的各次谐波信号。通常,在额定输出 条件下,一般高保真功放的总谐波失真大多在0.1%以下,而专业级功放的总谐波
失真,则可达0.03%以下。可见,音频功放的总谐波失真应越小越好“一。

本章阐述了各种功率放大器的工作特点及音频功放的主要技术参数,从效率、 失真、功耗、成本等几个方面入手,对各类放大器作了横向比较。综合考虑这些 技术指标后,本课题采用AB类放大器结构设计一款车载音频功率放大器芯片,第 三章将给出该芯片的系统结构、工作原理及具体实现电路。

第三章音频功率放大器电路结构设计

13

第三章音频功率放大器电路结构设计

3.1芯片的性能指标及引脚含义
本文设计的芯片是一款具有低失真度、高性能的音频功率放大器。它能在18V
的单电源供电条件下为4 Q负载提供高达42W的功率输出。该芯片正常工作仅需

要很少的外部元件,芯片内部设计有限流保护和过温保护电路,对芯片进行过载
保护,而且芯片设计采用了经典的电路结构,保证了大功率输出时的低失真度,

同时具有增益高、转换速率大、输出电压摆幅大、输出电流大和供电电源范围宽 等特点。该芯片在内部进行补偿,电路不会发生振荡。该功率放大器芯片主要用
于车载音响系统中,其主要性能指标如下: 最大额定供电电压18V;

高的输出功率:
4×42W/4

max,

4×27W/4 Q@14.4V,1KHz,10%:

低的失真度; 低的输出噪声;
功率带宽40KHz; 输入失调电压小:最大值在0.5mV以内;

具有交、直流短路电流保护功能:当输出电流大于4A,芯片内部的限流保护电 路开始工作,将抽走输出功率管基极的部分电流,将输出电流控制在4A以下,使
功率管处于SOA区域内‘1叫。

具有过温保护功能:芯片工作时,温度升高到150℃以上,过温保护电路将关
断功率输出级,直至温度下降至安全工作区,保护芯片在高温下不受损坏。其封 装和引脚如图3.1所示。

14

一款车载音频功放芯片的设计与实现

∞Vl 卜oo龠o NQzo,I

。牮j口

u3^

≯∞。卜协

.N卜≥o

;卜oo _畚zo,艮

要∞
.|.b=o

-z一

譬一
oz9-蚺

崎篓 n兰 Qzo。U《

8》 +譬rIo
n口z∞。‰ 。竹卜o +峙卜oo

叫-L3鬣

∞Vl .芷.no
叶叠z∞。艮 卜:o凸U

图3.1芯片的封装引脚图

封装引脚描述如表3.1。
表3.1封装引脚含义

ⅫMBER
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
1 8

PⅡNNAME
TAB OFF.Det

PIN TYPE N.C OUTPUT

PIN DESCR母TION

Ofbet detector

P.GND2
OUT2. ST.BY OUT2+ VCC OUTl— P—GNDl OUTl+ SVR INl IN2 S—GND IN4 IN3 AC.GND OUT3+

POWER
OUTPUT

Power掣ound
Neg,output of Challnel 2 Standby con打ol pin


OUTPUT

Pos.output of ChaIlnel 2
Power supply

POWER
OUTPUT

Neg,output of Channell
Power ground

PoWER
OUTPUT IN/OUT INPUT

Pos.output of Channell
Supply V01tage

rej ection

Input of Charulell Input

小沪UT

ofCha衄el



POWER
DoUT
小mUT

Signal ground hlput ofChalulel 4 Input

ofCh籼e1 3

POWER
OUTPUT

AC ground Pos,.output of Channel 3

第三章音频功率放大器电路结构设计
19 20 21 22 23

P.GND3 OUT3. VCC OUT4.

POWER
OUTPUT

Power伊ound
Neg.output of Channel 3 Power supply Power ground

POWER
OUTPUT INPUT PIN TYPE OUTPUT PO、vER OUTPUT N.C

MUTE
PIN

Mutepin
PIN DESCRIPTIoN

NUMBER
24 25 26 27

NAME

OUT4. P.GND4 CD TAB

Neg.output

ofCh锄el 4

Power ground Clipping detector

3.2芯片的系统框图及结构设计
芯片的系统框图如图3.2所示。该芯片采用桥式结构,主要由偏置电路,输

入级,输出级和保护电路四大主要模块以及共模放大器(CMA)和电容(ICM)模块所
组成。

图3.2

音频功率放大器系统框图

下面简要阐述一下芯片的工作原理及各子模块功能。

差分输入级:将输入的单端信号进行~定的放大并转换成双端信号输出,以 提高了输出摆幅和驱动能力。采用差分放大器结构保证了整个电路具有较大的输 入阻抗,能降低噪声,提高了信噪比,降低了失真度。在信号的输入端还设计了

16

~款车载音频功放芯片的设计与实现

ESD保护电路,以保护输入对管,保证芯片的安全““。

偏置电路:偏置电路为各模块提供偏置电流或作有源负载,保证了电路的稳定 工作,大的供电电流有利于改善电路的频率特性和温度特性“”。 输出级:包括了中间放大级跟功率输出级两个模块电路。中间放大级将输入 级的输出信号进行放大,用以驱动功率输出级。中间放大级采用了恒流源作为有 源负载,大大的提高了增益,其电压增益控制在80dB左右。且中间级采用了Miller 补偿电容构成负反馈,完成了中间放大级的线性化,降低了失真度“。。而功率输 出级是单位电压增益输出级,采用了准互补式输出级(推挽式结构),工作在AB 类状态,以消除B类引入的交越失真¨“。功率管由许多晶体管并联而成,为负 载提供足够大的驱动电流。这一模块中还包括了缓冲级和交、直流短路保护电路。 中间放大级与功率输出级之间采用了缓冲级,减小了后级电路对前级的影响,改 善了放大器的非线性,减小了中间放大级的负载失真,提供了抗干扰能力,保证 了电路的稳定工作。交、直流短路保护电路采用的是电流限制式保护,此功率放 大器可输出的最大电流是4A,而当有4A以上的电流长期流过输出功率管时,尤其 是发生输出短路,很有可能会使输出功率管烧坏,限流保护电路限制了最大输出 电流,保护了输出功率管。 保护电路:功率集成电路耗散的功率较大,发热量大,芯片温度较高。如果让 芯片长期工作在高温下,而不至于损坏内部器件,就必须设置过温保护电路““。 此功率放大器过温保护电路的热关断点设置在150℃左右,芯片在热关断温度点以 下可正常工作,当温度达到热关断温度时,过温保护电路起作用,切断了功率通 路,保护了芯片内部器件。同时还为功率管设置了过压保护,过流保护等以防止 功率管被击穿。 CMA模块:牵制静态工作点,使两臂均被偏置在合理的工作状态,以免两臂输
出时发生截止失真。

ICM模块:被设计成一个超大值电容的电路。尽可能的减少高频时反馈回路中 心点的对地阻抗,保证芯片正常工作状态。 综上所述,芯片中差分输入级是实现差分电压输入、电流输出。偏置电路给
差分输入级提供偏置电流,为功率输出级和保护电路提供了偏置。功率输出级必

须具有很小的输出阻抗,才有较强负载驱动能力,实现功率的放大。CMA和ICM共
同确保了芯片的静态工作状态。在芯片中,对输出功率管虽然已经采取了过流保

护措施,但它仍然不能算是处于绝对安全的状态。因为绝大多数限流保护电路允 许输出管的耗散功率,要比正常工作条件下大得多。这时所增加的耗散功率就会 使散热片的温度不断上升,直至最终达到输出管结温的极限点。一旦散热片温度
超过这一极限点,输出功率管就可能被损坏。显而易见,为了确保输出功率管的

安全,对芯片采取过温保护措施,同样是非常重要的““。

第三章音频功率放大器电路结构设计

3.3芯片的典型应用测试电路
该芯片的典型应用测试电路如图3.3所示。该芯片具有内部偏置、自我保护、
内部补偿等特性,因此工作时需要的外部元件很少,为提高电源抑制比(PSRR),采 用了两个电容来滤除供电电源的高频和低频分量‘2阴。因为芯片内部设有直流偏

置,所以在输入端口接一个隔直电容以滤除输入信号中的直流分量。

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图3.3

标准测试与应用电路

3.4桥式放大结构
为实现单电源供电,且不使用变压器和大电容,该音频放大器采用桥式结构。 桥式放大器被用来增加在相同负载跟供电电压的情况下的功率,增加了输出的电
压摆幅,同时也增加了整个电路的驱动能力。其结构如图3.4所示。

18

一款车载音频功放芯片的设计与实现

图3.4桥式结构

输入为单端信号,输出为双端信号。 电压增益为:
G= =G+一G一

(3.1)

吃+一吃一 因为:



圪+=%=等呜

(3.2)

%一一等一等
所以:

(3.3)

‰+=4拥×等+如×孚=(?+等]×孚+厶×孚 ‰一=一么拥×等+如×等=一(?+等]×孚+彳。×等

(3.4)

(3.5)

第三章音频功率放大器电路结构设计

19

‰=‰+一‰一=缸×%=(?+鲁)×吃
因此,增益G口加:孕:1+拿:21,dB增益为26dB。 % 蜀
3.5

c 3.6)

ICM结构

因为一些高频振荡可能发生,当输出臂中一个先于另一个饱和的时候,问题

就会出现。假设D“f+饱和,而D谢一仍然跟随输入信号。这样包含D甜f+的反馈环路 停止工作,而御+的负输入不再是一个实质上的地近似值。那么D甜一的闭环增益将

从Rr~/2R。变为尺r一/忙。++R。一+尺厂+)。增益向一个能带来更大的高频振荡的点减
小。

ICM模块被设计成等效于一个超大值电容的电路。目的是尽可能的减少高频时 反馈回路中心点的对地阻抗。等效电路如图3.5所示。



C C

图3.5

ICM等效电路

对于左边电路有:

。k“c=半+竿=华×㈦叱×

(3.7)

?弘≥.:惫譬
z如o)=嘉

(3.8)

(3.9)

20

一款车载音频功放芯片的设计与实现

c?:—盟


1+旦

(3.10)

R?:坐盟
R+RN

对于右边电路有:
(3.12)



厶吐。¨:哗
R+二
sC



盎妃,~

(3.13)

(3.14)

弘等:蒜
c。=(1+g。月:)c
ICM的实现电路如图3.6所示。

(3.15)

(3.16)

图3.6

ICM电路

第三章音频功率放大器电路结构设计

3.6

CMA的结构

如图3.7所示。A和B构成放大器的输入到输出,C是共模放大器。考虑到C 的时候,系统的对称问题就凸显出来。采用CMA(Co姗on 在图3.4桥式结构中,如果没有CMA的话, 则有:
Mode

Amplifier)结构

的目的是平衡桥式结构两臂的增益,因为G+和G一的不同会产生功耗损失。

‰=(?+等卜=n%; k一(去卜圳%;
所以:

慨m @㈦
1+1

如加忆r

ma)【)=如蚍吒,m警砌∞删∞,卜(10+:1)/(1 =0.954宰比砌Iy ma)【砌PD肥“∞Z J
、o”,

1)(3.19)





显然两臂存在一定的不匹配,会导致管子的过饱和。 另外,采用CMA结构来减少共模点的电压调制对两输出臂的影响。在每个半 波期间,都有一个PNP功率管同另一个臂的NPN功率管一起工作。因为他们有不 同的∥值,但是又要必须流过相同的电流站,这样一来厶就得不同,同时引起中 间点电压改变以产生额外的偏执电流。利用CMA使电压调制转换到输出,表现为 共模点输出电压的调制。 基本模块应用如图3.7所示。A和B为放大器的输入和输出。而C为共模放大 器。考虑到放大器C,这个系统的对称性是显而易见的。

一款车载音频功放芯片的设计与实现

图3.7

CMA基本应用结构

在桥式结构应用中,CMA的闭环反馈增益在低频下被设置成20dB以使桥式结 构的两臂更加平衡。CMA实现电路如图3.8所示,为一个双端输入单端输出的比较 电路。通过镜像来输出信号。

第三章音频功率放大器电路结构设计

图3.8

CMA实现电路

3.7输入输出偏置

放大器的输入被偏置在sVR(‰/2)作为交流地(AcGND)。在电阻网络中没 有电流,所以输出也被偏置在‰/2。这样一来,可能的电阻不匹配就不会影响到
输出失调问题。

一款车载音频功放芯片的设计与实现

输入电阻为100K,而对于ACGND来说就变成了25K,因为ACGND与四个放大

器相关联。内部电容为O.4胪正好为信号输入电容(为0.1胪)的四倍,这样就
降低了整个系统的失调。 因此,我们有:

‰2等×鬲丙矗赢
、+sR。cCdc)…1

@?2∞

删:堡:10.5?f——L一——!—一1? ‰ Ll+娘加气1+艘。。e。/J
简化的偏置原理如图3.9所示。

圪,=‰一‰一=2t(瓦啬 一_毒了1?K职

(3.21)

图3.9输入输出偏置原理

实际电路中用到的偏置电路如图3.10一3.13所示。均是采用来自基准源的镜
像电流电路。

第三章音频功率放大器电路结构设计

25

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图3.10
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静音偏置
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图3.11 IN结构

26

一款车载音频功放芯片的设计与实现

2 DLPNP2“

IACGND—lN

U 叱




o Z o U g

“ 口 Z o U g

图3.12
VCCS

IACGND结构

LAYl

PLAY一}N

PLA丫2

图3.13

IPLAY结构

第三章音频功率放大器电路结构设计

输出级所用到的偏置如图3.14所示。同样是来自基准源的电流镜像电路。

3.8输入级
放大器的输入级,几乎一律都采用差分对管放大电路,一般是因为它的直流 失调量很小。其中,除电压圪,相互抵消而使失调量在本质上就很小外,还有两条 理由:其一是它的固定电流不再必须通过反馈网络了;其二是它的线性远比单管
输入级要好。由于输入级所处理的信号很小,与输出级放大后的信号相比,其线

性问题容易处理。但是,对输入级的设计也不能轻视,因为一个错误认识设计出 来的输入级,即便是稍有不妥,也会很容易对整个芯片造成高频失真“一。 在许多电路中,输入级一般都采用NPN差分管,这是因为NPN管的频率特性 比PNP管要好。对音频功放而言,是处理20Hz一20KHz的信号,故对输入对管频 率特性的要求没有其他处理高频信号的电路那么高,主要要求其在高的工作电压 和大的输出功率下能够有较好的稳定性和较小的信号失真“”“”。 该芯片的输入级采用了PNP差分对管,可以保证较高的输入差分电压承受能 力。该级的工作电流确定为几十uA。一方面保证了电路有较大的输入阻抗:另一 方面,有利于降低该级电路所产生的噪声n¨,确保后级电路能够获得保真度更高
的信号,以用于后级放大。

一款车载音频功放芯片的设计与实现

输入级等效电路如图3.15所示。
Vin2

4;石j

图3.15输入级等效电路

假设%。接输入信号,圪:接交流地ACGND。
因为尺,1,R,2>>尺f,4=K拳RD, 所以

么,眈。一■)+么:帆:一■)=圪,■=,木圪
(1+(彳。+么:)堆,),.c圪=么。木%。+4木圪: 圪/圪。I吃:=o=1/,宰(彳。/(4+么:))
因为4,么:是不同的供给电流,所以

(3.23)

(3.24) (3.25)

圪/吃。I%:=o=1/,,.c U咖/0p协+,。纰))

(3.26)

输入级实现电路如图3.16所示。其中Q。,Q。,Q。,Q,,为对管结构。电路中 采用了两路偏置电流IMUTE和IPLAY,使整个芯片在开机,待机以及播放状态之间
可以相互转换,并且消除了开机的POP声(暴声)。

第三章音频功率放大器电路结构设计

29

图3.16输入级电路

输入级整体电路结构如图3.17所示。

30

一款车载音频功放芯片的设计与实现

图3.17输入级顶层图

3.9输出级
输出级如图3.18所示 主要包括了:

达林顿级,由Q0,Q1,Q:,Q,及相关电阻组成。

第三章音频功率放大器电路结构设计

3l

图3.18输出级

电平转移缓冲,由Q。,Q6及相关电阻组成。

功率输出级,由驱动管Q1。,Q1。和功率管Q9,Q。。以及相关电阻组成。 夹断检测电路,由Q8,Qlo,Ql,,QI。以及相关电阻组成。
补偿电容由二极管连接的G和电容Cn组成。

桥式放大器的两个输出臂都与共模电压‰相连,同时‰作为cMA的输入。

一款车载音频功放芯片的设计与实现

形。作为两臂的公共电压,有这样的结果:在桥的相反两臂上的功率三极管管PNP 和NPN的基本电流是不同的,这就导致了在正和负半周期期间每个输出臂有不同 的行为。这样一来,本希望为地的输出信号显而易见的表现出失真。虽然如此, 由于输入结构,输出的不同表现为一个非常低的失真并且没有不对称。

达林顿中间放大部分如图3.19所示,Q,Ql以及所组成的新管与Q均为达 林顿结构,Q,管保证输出电位,Q5和G组成补偿电容。中间放大级具有高的局部 开环增益是很重要的,因为这样才能对中间放大级加以线性化。Q1,Q:组成的达 林顿结构,一方面是提高了本级的等效输入阻抗,减小了其对输入级的负载效应,
另一方面是为了提高电压放大管的有效∥值,增加其开环增益。C0是Miller电容,

一方面起了频率补偿作用,通过极点分裂,降低主极点频率,有利于改善运放的
稳定性,另一方面起了减小中间放大级高频失真的作用,低频段的失真由整体负

反馈对整个放大器加以线性化,而高频段则由局部反馈通过G对中间放大级加以 线性化,减小其高频失真““。

图3.19达林顿及电平转移缓冲电路

音频功率放大器的频率补偿,是针对其开环增益和相位特性进行补偿的。’它
是利用与原特性相反的特性加以平衡而实现的。但是对于经补偿后的放大器来说, 应使其总反馈环路闭合后能可靠稳定地工作。同时,对其闭环失真性能应具有重 要的作用。

第三章音频功率放大器电路结构设计

主极点补偿是对音频功放进行频率补偿中最简单的一种方法,它的作用是相 当精巧的。Miller电容补偿的方式如图3.20所示。



/1

‘\~点

如l▲畦

图3.20两级运放的密勒补偿

在图中我们注意到第一级呈现高的输出阻抗,第二级提供适当的增益,因而 为电容的密勒乘积提供了适当的环境。如图3.20,其目的是在结点E建立一个大

电容,其值为(1+以:h,把相应的极点向外推。以一个中等的电容值建立了一
个低频极点。

密勒补偿带来了一个非常重要的特性:它把输出极点向离开原点的方向移动, 这种效应称为“极点分裂”““。如图3.2l所示。
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图3.21密勒补偿引起的极点分裂

密勒补偿使两级间的极点向原点移动,使输出极点向离开原点的方向移动。 同时,与单纯的在级间结点与地之间连接一个补偿电容相比较,密勒补偿提供了
大得多的带宽,而且更节省芯片面积。

功放输出级部分如图3.22所示,瓯,Q,作为驱动管对输出功率管Q,,Q。提 供足够的偏置,以保证足够大的输出摆幅。各种保护检测以及保护都是针对功率 管a和Q进行的。 功率输出级整体如图3.23所示。对于输出级而言,出于对经济性与温升问题 的考虑,大多数的输出级皆工作于B类(乙类)状态‘281‘2盯。这样,势必还要 涉及到交越失真(功放设计中最棘手的问题)与高频开关效应等问题,从而使音 频功放的输出级设计更加复杂了¨”。采用B类输出级,将会产生交越失真、大 信号失真和关断失真。即使采用AB类输出也避免不了后两种失真的产生。 大信号失真,基本上是由于所用的放大管非线性特性大电流摆动所引起的。

一款车载音频功放芯片的设计与实现

对BJT而言,大的集电极电流会使∥值较小,从而导致在处理大输出振幅时增益

下降。大信号失真随输出负载的减小而增大,故驱动负载越小,则输出管需并联 越多以保证合理的电流分配,以预防输出管集电极流过大的电流,且可以有效地
解决耗散功率问题。

关断失真是由于在高频时输出管未能迅速而彻底地关断所引起的,具有非常
强的频率依赖性。关断失真也被称为开关失真,这是电荷存储、泄放方面的失真 问题。

图3.22功率输出级

第三章音频功率放大器电路结构设计

35

图3.23输出级顶层图

芯片整体顶层电路如图3.24所示。

一款车载音频功放芯片的设计与实现

图3 24^MP顶层图

图3 24中用到的L00PcAP结构如图3 25所示。

第三章音频功率放大器电路结构设计

图3.25

LooPCAP结构

3.10温度保护电路
温度保护电路设计的关键是把温度信号变为电压或电流信号。在集成电路中, 主要利用二极管或者三级管的负温度特性、电阻的正温度特性来做温度传感器。
下面分析双极器件的发射结电压的温度系数表达式。 在双极型晶体管中集电极电流密度为:

仁警唧㈩ ‘,,_一一‘^UI—l






㈣27)
\o.厶●/

L形/

其中:

厶为集电极电流密度(么/聊2)
玎。。为基区电子平衡浓度

D。为电子的平均扩散常数

%为基区宽度
平衡浓度可以表示为:

一款车载音频功放芯片的设计与实现

~:番:竺掣
其中:D是与温度无关的常数,%。是带隙电压。 联立上面二式,可以得到:

慨28,

厶=盎∥唧(乎]川卸(学)慨29,
‰=等h(嘉)%
g \以』7/

把与温度无关的常数合并成单一的常数A。因为D。依赖温度,温度系数y稍微偏

可以得到‰的表达式为:
慨3。,

在温度乃时,

厶。刊瑶离‰一%。)j

㈣31)

去=㈥,唧[氧毕一半)]
由上式,可得: 系为:

强32)

‰叱(-专卜。㈥+等m(争)+等h㈢@33,
在瓦处推导上式与温度的关系(设厶与温度的关系为丁口),‰与温度的关

等k如=半+h蚓
ir

b砥一—i一十岬11 i J

(3.34)

可以看出:在给定温度T下发射结电压的温度系数与%E的大小有关。 当300K时,

‰关于温度的变化约为一2.2mV/℃。
二极管的温度特性与双极器件的发射极温度特性分析过程类似, 不再作详细
说明。 下面给出在实际中应用的温度保护电路。

1.二极管温度检测电路及其原理如图3.26所示。

第三章音频功率放大器电路结构设计

39

图3.26

二极管温度检测电路

二极管的伏安特性对于温度比较敏感。温度升高时,二极管的正向压降将减 小,每增加1℃,正向压降汐,大约减小2耐,即具有负的温度系数。

一般有dU,/d丁=一2.5~一2.O(聊矿/DC)。如果选择四个二极管串
联,那么温度每变化100℃,那么总压降至少会下降O.8V。利用二极管的电压信号 与预设的参考电压信号做比较,就能实现温度保护功能。
2.三极管温度检测电路及其原理如图3.27所示。

一款车载音频功放芯片的设计与实现

VCC

图3.27

三极管温度检测电路

R,是具有正温度系数的电阻,Q2是发射结具有负温度系数的PNP管,比较器

通过比较电压发出温度控制信号。
温度保护电路实现如图3.28所示,温度保护电路主要由齐纳二极管D,、D,和 晶体管Q0、Ql、Q5组成。其中,齐纳二极管D,的温度系数为正,D2温度系数为

负,从而在温度变化的过程中为电路提供稳定的电压。随着温度的升高,晶体管幺、 Q1、Q,的开启电压逐渐变小,而具有正温度系数的偏置电阻R。的分压逐渐增大,
这样温度保护电路将依次启动告警信号输出、静音功能实现和关闭功放管的动作。

第三章音频功率放大器电路结构设计

41

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图3.28 温度保护电路

3.11过流保护电路
功放的输出晶体管在过高的电源电压、过大的电流以及过大的耗散功率都会 损坏“一。音频功放的电源电压由外部设计的供电电源网络所决定,但可以通过 内部电路将流过输出管的最大电流限制到一个安全的值。当负载阻抗放生变化导 致功放过载,特别是输出发生交、直流短路,流过输出管的电流将会很大,内部
电流限制式保护电路将起作用,保护输出管不被烧坏¨纠¨¨。

过流保护的基础在于对输出电流的适时在线精确检测。过流保护电路实现的 第一步是电流的采样。一种简单的采样电路如图3.29所示,其中么是输出功率管, 其输出电流可达安培级;Q,是电流采样管,电流一般在微安级。

42

一款车载音频功放芯片的设计与实现

图3.29

过流保护

输出采用桥式结构,过流发生原理电路如图3.30所示,图中显示了可能发生

过流的三种情况:NPN功率管短接到‰;PNP功率管短接到地;负载短路。



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图3.30过流发生原理

第三章音频功率放大器电路结构设计

43

当八个功率管中的任何一个进入非法工作状态后,短路保护电路将被触发。 在分析了传统过流保护电路的原理和芯片的实际工作状态之后,设计出一种功率
(SoA)保护电路,这种电路将对功率管提供功率保护。 一般的过流保护电路采取检测功率管电流的方法,当流过功率管的电流超过

一定的阈值时,保护电路将被触发。 过流保护的工作过程是:感应电路采样功率管输出状态,当满足阈值条件后
触发闩锁电路,闩锁电路将关闭功率管。在短路情况被移除之后,解锁电路将打 开闩锁电路。过流保护电路的逻辑结构如图3.31所示。

图3.31过流保护电路逻辑图

3.11.1感应电路
按照设计规划,电路驱动的最小负载为4 Q。经分析,可知功率管最大管耗小

于25W,因此,感应电路应在功率管管耗高于25W时触发启动电路。
PNP功率管仿真测试功耗如图3.32所示。

电流感应实现电路如图3.33所示,晶体管Q:,Q3,Q4,Q5,Q。,Q,和

一款车载音频功放芯片的设计与实现

电阻置,R:,尺,组成感应电路,取样流过PNP功率管的电流与电压。当流过功

率管的电流逐渐变大,参考电流,何=帆口:一%口15)/R,被Q,镜像。如果此时

%=吃一圪甜大于2,可R:+‰。+‰,,则,一通过Q。和Q,组成的电流镜被镜
像到Q,的集电极。因为Q4的发射极连在PNP功率管的发射极与金属感应电阻之

间,所以‰。的绝对值要小于‰:,可以求得:
△y


L鲥×R,。。=■三。UcQ:/,阳:×,阳。/,cQ。)。随着压差的逐渐增大,Q4的集电极

电流小于Q:的集电极电流,也即小于Q,的集电极电流。这样Q;将被打开,从而
打开Q,,启动闩锁电路。

图3.33

感应电路

第三章音频功率放大器电路结构设计

45

3.n.2闩锁电路
闩锁电路主要由Ql,和Ql。组成正反馈环路,当有电流注入到Ql,的基极,流 过Ql,集电极的电流增大,造成流过QI。基极的电流增大,这样又加大了流入Q1,基 极的电流。如果环路增益大于或等于l,则这种过程会持续下去,直到Q。,和Q。。都 完全导通,此时电路被闩锁。在版图设计中,这是应该避免的情况,但是,这里
用来作保护电路的闩锁模块。 具体的工作过程如下:

(1)感应电路输出低电平信号由InProt端口输入,Q1。将被关闭;Q:。集电极 电流将流过Ql,的基极,从而触发闩锁电路。当稳定的正反馈环路建立之后,感应 电路的信号不再起作用。当稳定的闩锁状态建立之后,Q1,将打开,从而关闭Q:,,
这样能够增强电路的稳定性,防止由毛刺产生的电路误解锁。

(2)解锁电路的信号由in01端口输入。当信号为低电平时,Q:。打开,Q0将 被关闭;若信号为高电平,Q:,关闭,Qo打开。Qo的集电极电流将流入Ql。的基极, 这样将破坏Q1:和Q1。的正反馈环路,从而解锁电路。
启动过程中的短路保护分析如下:

如果在电路启动过程中就发生短路现象,由于SvrMvbe还是低电平,Q。处于 关断状态。此时,虽然感应电路没有信号输入,但是解锁电路信号将从inol端口 输入,此时流过Q:,的电流被Q6镜像到Q7的基极,于是Ql,和Q1。的正反馈环路被
激活。

负载短接的保护过程分析如下:

如果负载直接短接,由于解锁电路中输出的‰/2电压信号将使输出电压强制 在共模点‰/2附近,这样解锁电路会不断的发出解锁信号,从而使功放管不断的
重复关断与重启的过程。闩锁电路实现如图3.34所示。

一款车载音频功放芯片的设计与实现

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1.3锁电路

实际是一个迟滞窗口比较器,当输入电压在(‰/2—1.4‰, ,开打。:Q时外之口窗较比在压电入输当;号信锁解出发,闭关。2Q时)‰3+c%
。态状定锁持维锁闩 实现如图3.35所示。

第三章音频功率放大器电路结构设计

47

图3.35

解锁电路

其瞬态仿真的波形结果如图3.36所示。

一款车载音频功放芯片的设计与实现

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图3.36

瞬态仿真

3.12过压保护电路
在音频功放中,其负载往往是动圈式扬声器,而所有动圈式扬声器均在某一 频段呈现出感性阻抗的特征,这样功放在试图迅速改变流入感性阻抗的电流时, 感性阻抗所产生的反向电动势有可能强迫功放输出电压峰值超过电源电压,这就 可能损坏输出晶体管,甚至是整个芯片,故在内部设计了过压保护电路。 过压保护电路主要由电阻和齐纳二极管组成分压电路。由于在电源部分我们
采用外加电容的方式实现稳定的电压输出,所以当过压保护电路开始起作用的时

候,不能立即将启动电路关闭。如果电压的变化是缓慢上升的过程,这个影响不 会很大。但是对于车载音响而言,电路可能经受瞬间的高压,因此我们有必要特
意关掉功率管以达到保护效果。同时,由于Qo和QJ始终工作于放大区,应该选用 耐高压的晶体管。

过压保护电路实现如图3.37所示。

第三章音频功率放大器电路结构设计

49

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图3.37过压保护电路

第四章电路仿真与分析

第四章电路仿真与分析
电路仿真环境为:工作电压18V,负载阻抗4 Q。由于时间和硬件条件有限, 仿真采用了Hspice工具,并且因为工具软件的不健全,采用了Spectre工具来提 取网表文件,在此网表基础上改成Hspice所承认的格式。然后,手写添加各种激
励到网表中,在Linux平台上直接运行仿真命令(如Hspice AMP.dat)来仿真。

由于整体电路是两个通道的电路整合,故仿真只针对其中一个通道来进行。
静态(DC)分析:

对输入端口加入直流信号,对其进行一1V~+lV进行扫描。根据输出文件有,
输入阻抗为98.904K Q,输出阻抗为314.686u Q,同时还可得到如图4.1所示的

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图4.1A直流扫描结果

一款车载音频功放芯片的设计与实现

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图4.1B直流扫描结果

从图4.1A中可以看出:其直流工作点为8.99V,与设计目标9V相差不大。 线性输入摆幅为一930mv~935mV,可见放大器的放大能力十分良好,能将足够低的 信号放大。最大输出摆幅达到了一17V~+17V,基本接近电源电压,说明功率管的
驱动能力设计合理。从图4.1B中可看到:输入失调电压为O.538mV,电路整体匹

配性良好。
交流(AC)分析: 断开放大器反馈回路,在输入端加载AC信号源,对频率20Hz一100MHz进行扫 描,得到如图4.2所示的结果。

第四章电路仿真与分析
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图4.2幅频特性

从图4.2中,我们可以得到:放大器开环直流增益达到了116dB,放大倍数 足够高以保证了闭环的稳定性。单位增益频率为4.8MHz,带宽比较大,满足了要 放大信号的频率区间。相位裕度为180—130=50。>45。,整个电路基本稳定可用, 满足放大器电路的要求。
将输入端悬空,对供电电源外加AC信号源,直流分量仍然为18V,对

10Hz—100MHz进行频率扫描,可得图4.3所示曲线。从图中可以看出:在频率20K 之内,电源抑制比大约为一70dB,基本可以满足音频信号的要求,因为人耳的接受
频率为20Hz一20KHz。

一款车载音频功放芯片的设计与实现
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图4.3电源抑制比仿真结果

瞬态分析:

在输入端加阶跃信号源,对输出端口作瞬态扫描,得到如图4.4所示的结果。

第四章电路仿真与分析

图4 4A压摆率仿真结果

图4 4B压摆率仿真结果

从图4 4中可以看出:放大器的压摆率为sR+=3

93V/us,sR一3

77V/us,相

对有些较低。因为桥式输出结构的四个功率管的匹配性未能达到很高,所以影响

一款车载音频功放芯片的设计与实现

了压摆率。

在输入端加载1K频率,幅值为333mv的正弦波信号源,输出接4 Q负载。得
到如图4 5所示的结果。从图中我们可以得到:电源峰值功耗为29 6w,输出功

率(即负载的功耗)为8.6w,困仿真的电路为两通道的整合电路,所以针对一通 道功放而言,其电源功耗应该为29 6/2=14 8∥。因此,我们可以得出芯片的效率
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1%,基本为可接受的范围。




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图4 j功率仿真

THD仿真结果输出如下:
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其中n乱147、netl46为两臂输出端口,总谐波失真大约为o j%。基本达到了 高保真的设计要求。

第五章工艺分析及版图设计

第五章工艺分析及版图设计

5.1工艺选取
集成电路的工艺技术基本可分为Bip01ar工艺和CMOS工艺两大类。 CMOS工艺:COMS只包含P沟道和N沟道,不包括任何双极型和其他器件。 这里的晶体管是通过P阱、N阱和一个多晶硅栅构造而成。同时,可以用多晶硅
构成电阻,用多晶硅和掺杂的衬底作为电容平板,栅极氧化物作为电介质,CMOS

工艺对于构造逻辑功能是最优的选择。CMOS工艺最适合制造一系列低压器件,
提高集成密度。 Bipolar工艺:Bip01ar工艺的主要有源器件是NPN型和PNP型双极晶体管。 双极型工艺的步骤很少,性价比高,集成密度取决于工艺的电压等级,通过改变
晶体管的尺寸可以得到各种不同的电压等级。

集成电路的版图定义为制造集成电路时所用的掩膜板上的几何图形。对 Bipolar工艺而言,这些图形包括:埋层、外延、咒+和p+注入、接触孔以及金属 层等等。这要求设计者必须熟练掌握版图设计规则、工艺流程、电路的电气特性
等等。

采用的Bipolar工艺掩膜版共有十四层:

1.N型埋层(B嘶edNtype area)
2.P型隔离(Isl狃d 3.ISO隔离(Islalld
sunDundedby P t),pe
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aIld up

isolation)

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4.N+注入(De印N+area 5.P型基区(Base 6.注入电阻(Ion
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sinker)

intrinsic area)

iInplant resistor area) base are幻

7.X型基区(Extrinsic

8.发射极(Emitter area) 9.电容(C印acitor area)
1 O.基极接触(Base contact)

发射极接触(Emitter contact)


1.金属1(Metall intercorHlection)



12.通孔Ⅳia)
1 3.金属2(Metal 2

intercollIlection) forbonding)

1 4.焊盘(Passivation opening

工艺中所用到的基本管以及功率管的顶视图和剖面图如图5.2~5.5所示。

款车载音频功放芯片的设计与实现

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NPN管剖面结构

第五章工艺分析及版图设计 LPNP

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PBAs和xBAs两种LP仲管剖面结构

垓电路要求在大功率输出的同时信号失真小,则版图布局以及剥称性设计非

款车载音频功放芯片的设计与实现

常重要。

该音频功率放大器芯片版图设计中遇到的问题及解决方案如下:
(1)ZenerDiode

在偏执电流源电路中用到了zenerDlode做稳压管,提供恒定的偏执电压, 为DarlInt。n级提供恒定的偏置电流。由于厂家给的zener是做在DP上的,即DJ。de 的P是接地的,而电路中需要zenerDlode的正极(P)电位不能为零电位。为了 解决这个问题,我们选择了利用NPN三极管的eb结构成齐纳二极管,三极管的 B%盼=7r,且具有正温度系数。其版图如图5 6所示:

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zener

D10de版图

(2)在版图设计中,对输出功率管的设计、布局方面是关键的。功率管采用了 许多小管子并联,版图画成叉指形式,一方面考虑了电流密度和流向,另一方面 考虑了版图的紧凑性,以节省整体面积。而并联的输出功率管,其单个面积大小 的确定一方面要考虑管子的电流密度,确保流过每个管予的电流密度在厂家工艺 给定的值范围以内,另一方面要考虑并联后引入的寄生电容,保证转换速率不受
其影响。输出功率管的版图如图5 7所示,图中给出了部分管子的版图。

第五章工艺分析及版图设计

图5 7输出功率管版图

在绘制版图中还考虑了到以下几点:

1)输入对管应尽量对称,其负反馈电阻的对称性也要求很高,布线的长度应 尽量保持一致。 2)对于电路中流过大电流的管子,要考虑电流密度,确定并联的管子数目。 3)电路中有大的电阻,精度要求不高的,如过压保护电路中的大电阻.为了 节省面积,采用sP—piⅡch电阻,对精度要求较高的电阻,如反馈和偏置 中用到的电阻,增加其宽度以减少工艺误差所带来的偏差。 4)金属宽度要根据流过其电流的大小,接触孔的面积以及金属电流密度来确
定。

5)该电路的自身功耗较大,为保汪芯片的热均匀分布和散热效率,将输出功 率管置于芯片的删个边角,同时减弱了其大热量对其他电路单元的影响。 同时将电源部分放置在中间以减少其到各个模块的驱动布线长度,使其达 到最优效果。整个芯片的各个模块均按中心对称分布。最终的版图布局如
图5 8所示。

款车载音频功放芯片的设计与实现

图5 8母终版幽

5.2静电保护(EsD)
集成电路的PAD脚都需要加EsD(E1ectros僦1c D1Scha唱e)保护。当高电势 的带电体接触到电路的外引脚时,静电放电现象就会发生。由丁每个输八或输出
引脚的电容很小,所以PAD产生的电压很大,可能毁坏芯片上的器件。

EsD保护电路的基本原理是:为PAD电流提供个低阻的放电通路,同时
保持端LJ电压存一个安全的范围内。通常EsD保护电路利用一个或多个有源器件 将外部屯荷放电嵌位到地或电源,从而限制了加到电路的电压。保护电路一般连接 在外部管脚与内部电路之间。如下图5 9所示,为在芯片中采用的EsD保护电路 结构。

第五章工艺分析及版图设计

图5.9

ESD电路结构

第六章结论

第六章结论
本文的主要工作就是设计了一款车载汽车电子音频功率放大器芯片,它采用 了单电源的桥式电路,推挽输出结构,可提供四通道高达42W的功率输出,且总 谐波失真较小,适用于汽车上的车载多媒体系统的音响设备。 本文设计的芯片有如下特点: (1)该芯片采用了AB类推挽输出级,消除了交越失真,同时获得接近于电 源的正负向最大输出电压幅值。内部有Miller补偿,可保证系统闭环稳定性,且
有利于达林顿中间放大级的线性化,减少非线性失真。

(2)内部设有过温保护电路、过流保护电路和过压保护电路,对芯片实施了 三重保护,在输出大功率或驱动感性负载的同时,可保证芯片不被烧坏。输入引 脚有ESD保护,芯片安全工作可靠性比较高。 (3)芯片设计有上电后的开、关两种工作状态,使其在驱动扬声器时,每次 开、关避免了POP声(暴声)。静音功能在每次开、关时起作用,使输出信号为 静音来消除开、关暴音,而在放音时静音功能不起作用,可以正常输出信号。静 音由电源管理控制的舢TE和IMUTE所控制,跟电源开关时序及播放开关时序相互
配合。

(4)由于芯片工作电压较高,输出功率较大,耗散功率也很大,故对散热片 的要求较高,若用热阻小的散热片,则需要很大的面积,增加了成本,若用热阻 大的散热片,虽然可以节约面积,但温升很高,芯片无法正常工作。为了能降低 成本,又能保证芯片正常工作,势必要较小耗散功率,当输出功率一定时,供电
电压越小,耗散功率越小,但较小的供电电压,势必只有较小输出摆幅,输出功 率就达不到额定值。为了解决这个矛盾,本芯片采用互补型输出级电路,这样可 以获得Rail一To—Rail的输出。

(5)针对本芯片的单电源供电情况,电源内部通过电阻分压得到一个‰/2
的电压,给输入对管提供一个直流偏置,减低了来自电源上纹波的影响,提高了
电源抑制比。

(6)由于本芯片输出功率很高,大量的小管子并联在一起,势必会增大整个
芯片的面子和耗散功率。 由于时间以及工作条件等因素,芯片设计中仍然存在了一些不足和没能考虑 到的问题。比如其压摆率、效率有些偏低,高频振荡,功率管数量过多占用了大 量的面积,增加了芯片的整体面积和成本。针对以上不足,进一步改进电路、版

图结构,会使芯片的整体性能变得更加优越。

致谢

67

致谢
感谢我的导师胡辉勇副教授在我攻读硕士学位的过程中给予我指导和帮助。 本课题的研究和论文的撰写是在导师胡辉勇的悉心指导和严格要求下完成的。在 我的研究生学习阶段,胡老师向我传授的不仅仅是专业知识,还教会了我许多做 人做事的道理,我这三年无论是科研水平还是待人处事方面都得到了极大的提高, 这一切都凝聚了导师的心血和汗水。胡老师一直坚持在学术研究上给予学生最大 自主权的教学原则,积极鼓励学生广泛阅览国内外相关资料、多创新、多提出自 己的思想。导师敏锐的学术思想,渊博的学术知识,严谨的治学态度,兢兢业业 的工作作风,虚怀若谷的高尚品德和现身科学的执着追求,学生将永记心上,并 激励学生不断开拓、进取。导师对工作勤勤恳恳、一丝不苟的态度将是学生人生
道路上的指南针,这些都将是我终身受益的宝贵财富!在此我谨向胡老师致以崇 高的敬意和衷心的感谢!

在毕业设计的过程中,我也要感谢深圳希鹏微电子股份有限公司给我提供的 实习机会,让我可以真正作为一个设计人员参与集成电路芯片的设计,熟悉了IC 设计的整套流程;也让我有机会接触到本行的专家学者,开阔了我视野,感谢企 业导师唐顺柏先生在我实习期间给予的指导和帮助,使我更加深入的理解了半导
体工C设计。

由衷的感谢我的同学牛宜超和王飞在学习和工作中给我的关心和帮助。感谢 我在希鹏公司实习期间共事的同事周光友、张建、殷先春等,与他们在一起工作 学习的日子,我学到了不少东西,也分享了许多的快乐。 最后感谢我的父母及我身边的同学长期一来对我生活和学业上的关心与支
持!

“书山有路勤为径,学海无涯苦作舟",我将以更大的努力,更好的行动在
今后的学习生活中做得更好!

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一款车载音频功放芯片的设计与实现
作者: 学位授予单位: 沙李鹏 西安电子科技大学

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数字音频功放处理芯片设计与实现_信息与通信_工程科技_专业资料。功放数字...一款车载音频功放芯片的... 71页 免费 无滤波器立体声音频D类功... 71页 ...
音频放大器设计报告
指功放中能够让中、高频信号通过而不让低频信号通过的电路,其作 用是滤去音频...第 5 页 第三章 音频功率放大器的设计 3.1 设计要求本课程要求设计与制作一款...
一款音频功率放大器的设计 电子132 李梦璐
一款音频功率放大器的设计李梦璐 电子信息工程 13 级 2 班摘 要 随着工艺的不断进步, 越来越多的功率放大电路采用集成方式来实现音频功率放大器是功率集成电路...
数字音频功率放大器的设计与制作_图文
数字音频功率放大器的设计与制作摘要: 本数字音频功率放大器的设计以芯片 TDA8920B 为核心。 本文简要介绍了该芯片 TDA8920B 的功能,并描述了以其基本组成的数字...
音频功率放大器的设计仿真与实现
音频功率放大器的设计仿真与实现_电子/电路_工程科技_专业资料。武汉理工大学 课...一款车载音频功放芯片的... 71页 免费 高性能音频功放电路的设... 53页 免费...
音频功率放大器的设计与实现
音频功率放大器的设计与实现_信息与通信_工程科技_专业资料。模拟电子电路实验课程设计——音频功率放大器的设计与实现一、设计任务 设计任务设计并制作一个音频功率...
目前市面上流行的音频处理芯片汇总
美国 Cirrus Logic 上市了用于车载音响放大器,集 32...音频片上系统是一款芯片 SoC 解决方案,为音响设备...该器件的处理性能优势可帮助设计人员实现高清电视等...
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