新型低功耗桥式结构CMOS音频功放的设计

摘要

随着消费类电子市场的蓬勃发展以及半导体技术的不断进步，作为该类产品应用中最为广泛的组件之一的音频功率放大器也得到了越来越多的关注，目前在集成电路及片上系统中扮演着不可或缺的角色。其中，CMOS音频功放因其具有低功耗、低成本、高质量输出等优点而成为当前音频功放设计的主流。
　　 文章从音频功放的基础理论研究入手，针对市场需求与应用领域，给定了合适的技术指标，采取自顶向下的设计方法，从系统模式选择到单元电路模块的设计与仿真，最终设计了一款新型低功耗桥式结构CMOS音频功率放大器。这款芯片主要应用于移动电话和其他便携式通信设备中，在5V直流供电下，可以将1W的功率连续平均功率输出到8Ω的BTL负载上，且总的谐波失真小于1％。
　　 本设计采用桥式结构差分驱动负载，在工作电压一定的情况下相对于经典的单端输出而言，输出电压摆幅可以加倍。在相同的条件下，输出功率是单端结构的4倍。运放主体采用折叠式共源共栅结构，AB类前馈式推挽式输出，同时利用外部电流源供电，采用低压共源共栅电流镜结构的偏置电路，以达到较大的输出摆幅和较好的频率特性。控制部分由温度保护电路，POP-CLICK抑制电路和关断控制电路构成。
　　 本文电路采用CadenceSpectre工具，在CSMCCMOS0.5μm1P2M的模型库下进行了仿真，并使用CadenceVirtuosoLayoutXL工具完成了版图设计。仿真结果表明，该音频功放系统的性能达到了预期设计指标。