基于BCD工艺的10W数字音频后级H桥功率放大芯片研制

摘要

随着 CD、MP3、DVD、移动电话、数字电视等数字音源电器的普及，数字音频功放以高效率、低失真、低成本、小体积等优点日益成为音响领域的主流。与这些优点直接相关的后级功率放大电路设计是数字音频功放设计的重要环节之一。
　　本文在分析国内外数字音频功放及后级开关功率放大器现状，并针对H桥功率放大器做了相关实验的基础上，采用TSMC（台积电）的0.35μmBCD工艺，设计了一种10W数字音频 H桥功率放大电路。该电路实现 PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号放大，输出兼容，多种扬声器负载，最大有效输出功率为10W（4负载），最大效率为93％（8负载），具有过流保护、过温保护功能。本文还设计出一种结构简单的具有电路自锁功能的过流保护电路，该电路基于基准电流源设计，无需基准电压源，从而节省了芯片面积。
　　本文主要内容有以下几点：
　　（1）阐述了数字音频功放系统组成、PWM信号的产生机理及控制模式、两种开关功率放大器电路、低通滤波器、扬声器模型等内容。
　　（2）基于 VLSI设计中心设计的数字音频处理芯片，进行了一种全桥功率放大器实验、两种 H桥功率放大器实验，并对实验结果进行分析，为数字音频功放前后级的有机结合提出设计方案，同时对数字音频处理芯片提出一些修改建议。
　　（3）根据实验结果及系统分析，提出了H桥功率放大器的总体结构及电路性能指标要求。随后完成了H桥开关电路、低/高端功率MOS驱动电路、自举电路、电平位移电路、死区产生电路、使能控制电路、PTAT（Proportional To Absolute Temperature）基准电流源、欠压闭锁电路、过流、过温保护电路等子功能模块设计。
　　（4）根据TSMC提供的工艺库，利用Spectre（Cadence）、Hspice（Synopsys）等EDA软件对各个子功能模块及总体电路进行仿真，并对仿真结果进行分析与计算，确保所设计的电路满足性能指标要求。
　　（5）利用Virtuoso（Cadence）进行版图设计，并采用Calibre（Mentor）完成版图的DRC、ERC、LVS等后级验证。
　　（6）针对该电路进行测试方案设计，以便于投片后芯片的测试。

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第一章 引言

1.1 数字音频功放及开关功率放大器的现状

1.2 数字音频功放及开关功率放大器的发展动态

1.3 本文主要内容及安排

第二章 数字音频功放系统

2.1 数字音频功放系统结构

2.2 PWM信号分析

2.3 两种桥式开关功率放大器分析

2.4 低通滤波器及扬声器模型

第三章 H桥功率放大器实验及总体电路设计

3.1 数字音频处理芯片测试

3.2 全桥功率放大器实验

3.3 H桥功率放大器实验一

3.4 H桥功率放大器实验二

3.5 H桥功率放大电路总体电路设计

3.6 H桥功率放大电路总体电路性能指标

第四章 H桥功率放大器子功能模块设计与实现

4.1 H桥开关电路

4.2 低端功率管驱动电路

4.3 高端功率管驱动电路

4.4 电平位移电路

4.5 死区产生电路

4.6 使能控制电路

4.7 PTAT基准电流源（含欠压闭锁）

4.8 过流保护电路电路

4.9 过温保护电路电路

第五章 总体仿真及主要性能指标仿真

5.1 总体电路及典型应用

5.2 总体功能仿真

5.3 功率管 onR 仿真及计算

5.4 功耗仿真及计算

5.5 效率仿真及计算

第六章 版图设计

6.1 版图设计基本流程及工具

6.2 版图设计方法

6.3 总体电路版图设计

第七章 电路测试方案设计

7.1 子功能模块测试方案

7.2 总体电路测试方案

第八章 结 论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的成果

附录一：扬声器等效模型分析