2.7W双通道立体声D类音频功率放大器的设计

摘要

随着人们对节能型、微小型电子产品的要求,低失真、高效率的功率放大器的设计成为当前研究的热点。传统的线性放大器虽然失真很小,但是效率不高,而且需要大面积的散热片。采用CMOS工艺的D类音频功放具有集成度高、功耗小、占用面积小等特点,在PDA、手机、MP3播放器等便携式电子设备中得到了广泛的应用。本文首先介绍了音频放大器的发展现状、分类和工作原理,以及音频放大器的一些重要参数,然后对D类音频放大器进行了系统分析,包括D类的反馈环路稳定性建模、桥式功率驱动电路的结构、输出滤波器的分析和效率的计算。再就系统中各模块的电路设计做了详细的介绍和分析,并给出了仿真的结果。接着对版图的优化处理上作了详细的说明,对ESD的设计以及snapback原理做了介绍,最后列出了芯片MPW后的测试结果。设计中的D类功放工作电压的范围从2.5V~5.5V,最大输出功率达到2.7W,具有外围元件少、无需输出滤波器的特点,更好地节省了PCB板空间。主体电路由运放输入级、三角波产生电路、PWM调制模块、功率驱动模块、功率输出级、过温过流保护模块构成。设计时重点考虑了输出功率、总谐波失真和死区时间。在版图的布局上,运放的差分对采用共质心匹配的方法以降低输入失调;将敏感信号与数字模块之间用地线隔离;将左右声道完全分开,降低了声道之间的串扰。测试后的芯片效率为90％,在5V电源电压下的静态电流小于5mA,关断电流0.1μA,电源抑制比77dB,THD小于0.15%,完全达到了设计的目标。目前所设计的芯片在中芯国际(SMIC) 0.35μm N阱CMOS工艺下流片成功并成功量产。

目录

摘要

Abstract

第1章 引言

1.1 音频放大器的发展历史与现状

1.2 D 类音频放大器的应用范围

1.3 D 类放大器的分类

1.4 国内外的研究情况

1.5 课题的研究目标和创新点

第2章 D 类放大器的系统分析

2.1 本文提出的设计指标

2.2 设计使用的工具及软件

2.3 系统环路稳定性分析

2.4 半桥驱动与全桥驱动的比较

2.5 输出滤波器的分析

2.6 D 类放大器效率的计算

2.7 D 类放大器的失真分析

第3章 D 类放大器电路的设计

3.1 输入级前置放大器的设计

3.2 带隙基准电路的设计

3.3 三角波产生电路的设计

3.4 PWM 电路的结构

3.4.1 比较器电路的结构

3.4.2 Deglitch 电路

3.5 LEVEL-SHIFT 电路

3.6 功率驱动电路

3.7 控制逻辑电路

3.8 预充电电路的结构

3.9 过温检测电路

3.10 过流检测电路

3.11 修调电路

3.12 系统仿真结果

第4章 版图设计与芯片测试

4.1 工艺的选择

4.2 版图设计与优化

4.3 Latch up 防护

4.4 静电放电（ESD）防护

4.5 测试环境和外围电路

4.6 测试结果

结论

参考文献

致谢

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