AB类CMOS音频功率放大器的设计

摘要

音频功率放大器是功率集成电路的重要组成部分之一,在消费类电子产品中得到广泛应用。低成本、高品质一直是音频功率放大器所追求的目标。传统音频功率放大器采用双极型工艺设计,基于良好的双极型三极管特性;CMOS技术虽具有低成本的优点,但存在较大的输出管尺寸、驱动低阻抗负载的稳定性和噪声干扰问题,从而限制了CMOS技术前进步伐。
　　针对这些问题,本论文设计了一种高开环稳定性AB类共源共栅CMOS音频功率放大器。论文首先研究了各种功放电路的优缺点,根据设计指标确定符合要求的共源共栅电路形式,然后用功率预算和电流分配的方法设计器件参数,最后利用计算机仿真。结果显示,当使用3.3V电压源时,功率放大器单位增益带宽达到44.5MHz,静态电流为1.3mA,在8?负载的情况下最大输出电流可以达到250mA。功率放大器低频开环增益为106dB,相位裕度高达75?,PSRR为82.6 dB,显示出优良的闭环稳定性和抗电源噪声能力。与此同时,还设计了低功耗关断电路和过热保护电路。当低功耗关断引脚有效时,关断电流仅为0.38μA;当电路的工作环境温度超过160℃时,过热保护电路输出高电平,从而关断整个芯片,防止造成永久性损坏。
　　在此基础上,将两个AB类共源共栅CMOS功率放大器以桥接式方式连接,构成音频功率放大器。这种接法使得输出端去掉了耦合电容,降低了输出级峰值电流的大小,提高了输出摆幅和输出功率。并推导出音频功率放大器最关心的两个参数:总谐波失真、噪声失真。仿真结果显示,总谐波失真低于1％。PSRR为71.4～91.5dB。最后,芯片版图设计采用了0.35μm的N阱硅栅双层金属CMOS版图设计规则,大尺寸的PMOS管和NMOS管采用并联晶体管结构,版图以叉指方式设计,共享源区和漏区,减小了芯片面积。

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第一章 概述

§1.1 音频功率放大器的现状及发展趋势

§1.2 低电压、低功耗CMOS电路设计的特点

§1.3 课题的基本要求

§1.4 论文的主要内容和章节安排

第二章 音频功率放大器的基本介绍

§2.1 音频功率放大器的基本概念及类型

§2.2 各类功率放大器的特性比较

§2.3 功率放大器设计方法

§2.4 系统模式选择

§2.5 电路系统方框图

§2.6 本章小结

第三章 AB类折叠式共源共栅功率放大器的设计

§3.1 功放电路的特点

§3.2 AB类折叠式共源共栅功率放大器输入级设计

§3.3 AB类折叠式共源共栅功率放大器输出级设计

§3.4 AB类折叠式共源共栅功率放大器的主体电路

§3.5 仿真结果

§3.6 本章小结

第四章 辅助电路的设计

§4.1 带隙基准电压源的设计

§4.2 过温保护电路的设计

§4.3 功率放大器偏置电路设计

§4.4 抑制噪声和VDD/2产生电路的设计

§4.5 控制电路

第五章 音频功率放大器的设计

§5.1 结构介绍

§5.2 仿真结果

§5.3 版图设计

§5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果