《基于BCD工艺的10W数字音频后级H桥功率放大芯片研制.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于BCD工艺的10W数字音频后级H桥功率放大芯片研制.pdf（103页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、分类号 密级 UDC注 1 学 位 论 文 基于基于 BCDBCD 工艺的工艺的 10W10W 数字音频后级数字音频后级 H H 桥功率放大芯片研制桥功率放大芯片研制 （题名和副题名）汪汪 洲洲 （作者姓名）指导教师姓名 李李 平平 教授教授 博导博导 电子科技大学电子科技大学 成都成都 （职务、职称、学位、单位名称及地址）申请学位级别 硕士硕士 专业名称 微电子学与固体电子学微电子学与固体电子学 论文提交日期 2007.2007.5 5 论文答辩日期 2007.52007.5 学位授予单位和日期 电子科技大学电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 20072007 年 5 5 月 日 注 1
2、注明国际十进分类法 UDC的类号 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分
3、内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年 月 日 摘要 I 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 0.35mBCD 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
4、 PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号放大，输出兼容 4，6，8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
5、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
6、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。关键词：关键词：H 桥，功率输出，过流保护，PWM，数字音频功放 ABSTRACT II ABSTRACT With the widely use of CD,MP3,DVD,cell phone and HDTV,digital audio power amplifier(DAPA)prevails in audio amplifier
7、field for its high efficiency,low distortion,low cost and portability.Digital amplifier power stage（DAPS）which directly relates to these advantages plays an important role in the whole DAPA system.Based on analysis and experiments of mainstream DAPA and DAPS,a 10W H-bridge power amplifier circuit is
8、 designed with TSMC 0.35mBCD technology.Amplifying PWM(Pulse Width Modulation)signal,the chip is compatible with 4,6,8 speaker loads.It can provide the maximum RMS(Root Meaning Square)power of 10W(with 4 load)and the maximum efficiency of 93%(with 8 load)with over-current and over-temperature protec
9、tions.A simple and practical over-current protection circuit with self-hold is designed,which saves chip size by replacing the voltage reference that normally used in the traditional over-current circuit with a current reference.The main contents of this paper are as follows.(1)The structure of the
10、DAPA system is illustrated,as well as the generation mechanism and control mode of the PWM signal,two kinds of DAPS,the LPF and the model of the speaker.(2)Using the digital audio processor chip designed in VLSI,an experiment of full bridge power amplifier and two experiments of H_bridge power ampli
11、fier are done.Necessary analysis on results is carried out for the integration of the processor and the amplifier in DAPA,meanwhile some modifications of the digital audio processor have been done.(3)Based on systematic analysis and experiments,specifications for this circuit are assigned.According
12、to these requirements,the architecture of H_bridge power amplifier and its sub-blocks are designed.Sub-blocks comprise H-bridge amplifier,DMOS driver,bootstrap circuit,level shifting circuit，dead time generator,PTAT(Proportional To Absolute Temperature)current reference with UVLO，over-current protec
13、tion circuit and over-temperature protection circuit.ABSTRACT III(4)Using the library provided by TSMC,simulations of all the sub-circuits and the whole circuit are done by either Cadence Spectre or Synopsys Hspice.The results are calculated and analyzed.A conclusion is drawn,which shows that the wh
14、ole circuit fulfills all the performance requirements defined by system.(5)Layout of the circuit is designed with Virtuoso(Cadence),and then DRC,ERC&LVS are validated with Calibre(Mentor).(6)The testing plan is programmed for the chip test after taping out.Key words:H-bridge,power output stage,over-
15、current protection,PWM,digital audio power amplifier 目录 IV 目 录 第一章第一章 引言引言.1 1.1 数字音频功放及开关功率放大器的现状.1 1.2 数字音频功放及开关功率放大器的发展动态.5 1.3 本文主要内容及安排.6 第二章第二章 数字音频功放系统数字音频功放系统.8 2.1 数字音频功放系统结构.8 2.2 PWM 信号分析.8 2.3 两种桥式开关功率放大器分析.11 2.4 低通滤波器及扬声器模型.13 第三章第三章 H 桥功率放大器实验及总体电路设计桥功率放大器实验及总体电路设计.16 3.1 数字音频处理芯片测试.1
16、6 3.2 全桥功率放大器实验.18 3.3 H 桥功率放大器实验一.20 3.4 H 桥功率放大器实验二.22 3.5 H 桥功率放大电路总体电路设计.25 3.6 H 桥功率放大电路总体电路性能指标.27 第四章第四章 H 桥功率放大器子功能模块设计与实现桥功率放大器子功能模块设计与实现.28 4.1 H 桥开关电路.28 4.2 低端功率管驱动电路.32 4.3 高端功率管驱动电路.37 4.4 电平位移电路.40 4.5 死区产生电路.41 4.6 使能控制电路.43 4.7 PTAT 基准电流源（含欠压闭锁）.44 4.8 过流保护电路电路.47 4.9 过温保护电路电路.54 目录
17、 V 第五章第五章 总体仿真及主要性能指标仿真总体仿真及主要性能指标仿真.56 5.1 总体电路及典型应用.56 5.2 总体功能仿真.57 5.3 功率管onR仿真及计算.61 5.4 功耗仿真及计算.62 5.5 效率仿真及计算.65 第六章第六章 版图设计版图设计.67 6.1 版图设计基本流程及工具.67 6.2 版图设计方法.69 6.3 总体电路版图设计.74 第七章第七章 电路测试方案设电路测试方案设计计.76 7.1 子功能模块测试方案.76 7.2 总体电路测试方案.80 第八章第八章 结结 论论.82 致致 谢谢.84 参考文献参考文献.85 攻硕期间取得的成果攻硕期间取得
18、的成果.88 附录一：扬声器等效模型分析附录一：扬声器等效模型分析.89 第一章 引言 1 第一章 引言 1.1 数字音频功放及开关功率放大器的现状 数字音频功放的概念早在 20 世纪 60 年代已被提出，但由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1983 年，M.B.Sandler 等学者提出了 D 类放大的 PCM（Pulse Code Modulation,脉冲编码调制）数字音频功放的基本结构，主要技术要点是如何把 PCM 信号变成 PWM。1998 年，美国 Tripath 公司发明了一种称作“Digital Power ProcessingTM”（DDP）数字功率处理技术，取名为“T”
19、类功放。1999 年意大利POWERSOFT 公司推出了数字音频功放的商业产品，从此，第 4 代音频功率放大器数字音频功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，数字音频功放也成为近年来的研究热点之一1。1数字音频功放优缺点及与数字音频功放优缺点及与模拟音频功放模拟音频功放的对比的对比 数字音频功放最简单的定义为：是指功放管的工作状态处于开关状态的那一类功率放大器，以 Class-D、Class-T 为主要代表。数字音频功放与模拟音频功放的主要技术特性的详细对比如表 1-12：表 1-1 数字音频功放与模拟音频功放的技术性对比表 特性 模拟音频功率放大器 数字音频功率放大器 瞬态
20、特性（涉及中、高频音质的清晰度）转换速率 1018V/s 转换速率40V/s 动态特性（涉及对特大信号和最小信号不失真的表现能力）80dB 95dB 全频段内相移(涉及声像定位)510（取决于负反馈的深度）无相移（不用负反馈）对功放群的遥控、遥测特性 技术难度大 容易实现 电源利用率 4555（与负载阻抗有关）85（不随负载阻抗变化）长距离传输特性 会引起信噪比下降，失真增大 不会引起信噪比下降，失真不会增大 与数字声源和信号处理器的匹配连接 须经 A/D 变换才能连接 可直接连接 最大输出功率 每通道可最大输出 5000W/2（不桥接）每 通 道 可 最 大 输 出1000W/2以上（不桥接
21、）可连接最低负载阻抗 2 1 电子科技大学硕士学位论文 2 数字音频处理数字音频处理部分部分 开关开关功率放大部分功率放大部分 表 1-1 数字音频功放与模拟音频功放的技术性对比表（续）特性 模拟音频功率放大器 数字音频功率放大器 对电源电压的要求 110V10%或 220V10，须人工切换 100250V 范围内无需切换 散热要求 由于电源利用率低，发热量大，温升高，必须采用强制冷却。由于电源利用率高，机内发热量小，温升低，散热简单。可靠性 机内温升每提高 10，半导体器件的失效率提高 1 倍。机内温升低，因此可靠性系数增大 体积和重量 大 小（只有模拟音频功放的1/31/4）基于表 1-1
22、 的对比，对数字音频功放的优势总结如下1-4：（1）转换速率高，瞬态响应特性好，中音和高音清晰、明亮、层次感好；（2）信号动态范围大，可达到 95dB 以上；（3）全频段内的相移极小，不会产生声音染色；（4）不需任何附加装置可方便地实现遥控、群控和监测等功能；（5）电源转换效率可高达 85以上，机内温升极低，散热简单；（6）可连接的最低负载阻抗达 1，电源转换效率保持不变；（7）可自动适应各种网络音响传输系统；（8）可靠性高，体积小，重量轻。数字音频功放也有一定的缺点，对于少数具有特别丰富的超低音信号乐器（如管风琴、低音大提琴等）声音表达不够丰满柔和，其原因是瞬间大电流供应不足。基于上述的种种
23、优点，数字音频功放在数字音源已经大量普及的当今时代，将日益取代现有的模拟音频功放。2数字音频功放数字音频功放简介简介 数字音频功放的实现如图 1-1，包括两个主要部分。图 1-1 数字音频功放原理图 第一章 引言 3 第一，数字音频处理部分（DAP），把数字光碟播放机等数字音源读出来的脉冲编码调制（PCM）数字语音数据（通过数字接口），或者模拟信号经 A/D 后的数字音频信号等转化成对应的脉宽编码调制（PWM）数字语音数据。第二，开关功率放大部分，把 PWM 信号作为开关控制信号来控制开关功率放大器中开关管的导通与不导通的时间比，经过低通滤波后使得音频信号在负载上放大输出。数字音频功放的高效率
24、、低失真等优点与其后级开关功率放大器有着直接的关系。后级功率放大电路的转换速率，瞬态响应，动态范围，相移，电源转换效率，驱动负载能力等将直接影响着整体电路的性能，因此后级功率放大电路设计是数字音频功放系统设计的重要环节之一。H 桥开关功率放大器凭着高效率、大功率等优点成为后级开关功率放大器的主流。以 TI 的 20W 单声道数字输入 D 类音频放大器 TPA3200D1（2005 年 5 月上市）为例，对数字音频功放进行简单介绍。TPA3200D1 的原理框图如图 1-2 所示5。图 1-2 TPA3200D1 的原理框图 数字音频处理部分数字音频处理部分 开关功率放大部分开关功率放大部分 电
25、子科技大学硕士学位论文 4 TPA3200D1 的详细介绍如下：20W 单声道 D 类数字放大器，驱动桥接扬声器（阻抗低到 4），效率高达 85%，不需要外接散热器，数字输入采用 16-24 位 I2S格式数据，数字滤波器具有 8插补功能，半功率情况 THDN 控制在 0.2以下，其它功能包括软静音、零输入检测输出标记，多种采样频率 5kHz-200kHz，24 位分辨率，8过采样数字滤波器，功率放大器在 18V 电源时能对 8提供 20W 功率，有三种可选择固定增益，热和短路保护，采用 44 引脚薄型 TSSOP 封装，可用在平板显示器、数字电视（HDTV）等。3数字音频功放及开关功率放大器
26、的数字音频功放及开关功率放大器的国内外现状国内外现状 目前提供数字音频功放的公司较多，国际上最具代表性的有 Tripath、TI、NS、ST、PHILIPS、YAMAHA、MAXIM 等，国内有天奥、华微等。首先介绍的是 Tripath Technology Inc.，这是一家美国那斯达克上市的公司（网址是：）。Tripath 放大器采用了一种完全专有的 Digital Power Processing（简称：DPP）处理方法，确保了音频高保真性能的同时也完成高效率的放大。可以说这是首次使用一种技术，而同时获得了信号的高保真度和放大的高效率。Tripath公司将基于DPP原理设计的放大器称为：
27、T类放大器。T类放大器具有高保真、高效率、宽动态范围、体积小、重量轻等特点。它的产品包括器件类的TA1101B立体声10W及TA2020-020立体声20W桥接放大器集成电路模块，TA0102A 立体声 150W、TA0103A 立体声 250W 及TA0104A 立体声 500W 放大器驱动器集成电路模块。后者要另接相应的功率输出管。Tripath 公司已经有 500W 甚至上千 W 的放大器评估模块供第三方生产放大器和其它音响、电视产品之用。例如，SONY、APPLE、SHARP、MARANTZ、Bel Canto Design、AudioSource 等都把它用到自己的高质量音响产品中去
28、。TI 公司（网址：）于 2005 年 5 月推出较为先进的 20W 单声道高功率数字输入 D 类音频放大器 TPA3200D1，该芯片输入为数字音源信号，突破传统的模拟输入，向全数字化功放更进一步。该芯片后级在 18V 电源电压下推动 8功率可达 20W，效率高达 85以上。TI 还专门推出了适用于 PWM 音频放大的 H 桥功率放大电路，从单声道放大70W 输出的 TAS5111，至双声道放大 2125W 输出的 TAS5152，再至六声道放大530W160W 输出的 TAS5186A 等，效率均在 80以上。另外，NS、ST、PHILIPS、YAMAHA 等公司也纷纷推出自主设计的数字音
29、频功放芯片。如 NS 的 LM 系列，ST 的 STA 系列，PHILIPS 的 TDA 系列，YAMAHA的 YDA 系列等等6。第一章 引言 5 国内方面，1998 年 11 月，成都天奥公司发布了具有自主知识产权的“数字音频功放”，开了数字音频功放研制的先河，该公司于 2000 年研制出 6 通道专用芯片 DPPC2006，其转换效率达到了 90%以上。随后，该公司致力于几百 W 到几千W 中大功率的数字音频功放的研制，但后级放大部分多数采用分立器件，集成功率芯片还未开发。目前，该公司数字音频功放处理 IC 和数字音频功放模块已广泛应用于 DVD、汽车音响、家庭影院、专业音响和背投电视等
30、领域。海尔、长虹、夏新等影像产品中，数字音频功放的应用也越来越多，但诸多厂家多采用进口的芯片，很少具有自主知识产权的数字音频功放芯片。2005 年 12月，成都华微数字音频功放芯片开发与模块制造项目已成功通过国家电子信息发展基金办公室验收，并得到高度评价。同时，诸多公司也已经开始或者有计划向数字音频功放芯片化方向投入大量人力与财力。种种迹象表明近几年，国内公司在数字音频功放芯片开发和模块制造方面将做出突破4,6。我校 VLSI 设计中心从 1999 年开始研制数字音频功放至今，前后总共进行过三次投片，均成功，基本上完成了数字音频功放的原理论证，但是之前研究多针对前级解码部分，无高功率的输出级，
31、限制了作为单片功率放大器应用。因此教研室本次所提出的数字音频功放研制计划，其中很重要的一部分就是设计功率输出部分，即本论文的设计内容，以推动数字音频功放的单片化。1.2 数字音频功放及开关功率放大器的发展动态 随着技术的进步与创新，数字音频功放是模拟音频功放发展的必然趋势和取代者。数字音频功放及开关功率放大器在过去的几代产品中已经得到了巨大的发展，系统设计者极大地改善了系统的耐用性并提高了其音频质量。实际上，对大多应用而言，使用这些放大器所带来的好处已经远远超过了它们的不足。与传统的 A/B 类等模拟放大器相比，数字音频功放本身也存在固有的成本、性能和 EMI 方面的问题，解决这些问题就是数字
32、音频功放及开关放大器的发展新趋势1,7,8。（1）改善音频质量，实现高保真，低失真度。失真度减小至 0.01甚至以下，动态范围提高到 110dB 以上。这些指标无论对前级解码电路，还是后级功率放大电路都提出很高的要求。（2）实现更高的输出功率。数字音频功放的高效率，与输出阻抗及输出功率息息相关，阻抗高利用率高，输出功率高效率也高。另外，单片式数字电子科技大学硕士学位论文 6 音频功放凭着其体积小，成本低等优点，市场需求越来越大，中大功率数字音频功放的单片化将是一种趋势，这对输出放大电路设计也是一种挑战。（3）提高电源抑制比。（4）降低 EMI（Electromagnetic Interfere
33、nce，电磁干扰）。（5）降低系统成本。包括提升电路性能的同时简化电路结构，或者提出新的处理技术和设计，减小芯片面积，减少外部支持元件的数量，降低外部支持元件的要求等。1.3 本文主要内容及安排 该课题为本教研室纵向合作项目数字音频功放系统的一部分，整个数字音频功放系统包括以下三个部分：（1）接口和控制模块：接收异步串行（AES3 协议）或同步并行（I2S 协议）数字音源，并将其中的多声道音频样本提取出来，同时根据各种音源的特性（采样率，位宽）和外加的指示信号（默声，有效使能），来产生其它部分的控制信号；（2）数字音频处理模块：采用过采样噪声整形和各种数字 PWM 技术，将接收的数字音源转换成
34、 PWM 信号；（3）功率放大模块：功率放大模块接收前面的 PWM 信号，采用桥式负载结构，进行功率放大，为驱动后级音箱等负载提供大的输出功率，同时还包括过温、过流保护，欠压闭锁等保护电路。数字音频功放设计根据其需要完成的工作划分成三大部分，本文负责的是第三部分（功率放大模块）的设计。本论文以实验及先进的工艺为基础，通过正向设计出数字音频后级 H 桥功率放大电路，实现数字音频功放的高效大功率输出。功能特性方面，所设计电路具有以下一些特点：（1）输入支持相位相反、双路反宽等多种 PWM 信号，输出兼容 4、6、8等多种扬声器负载；（2）最大有效输出功率为 10W，单片集成由功率 DMOSFET
35、构成的 H 桥功率放大电路。（3）最高工作频率可达 5MHz，可支持较高频率的 PWM 输入信号。第一章 引言 7（4）工作效率高于 90，最高可达 93，在工作时，管耗较小，芯片一般不需要散热片。（5）具有欠压闭锁、过流、过温等保护电路，对芯片实时保护，以防止芯片毁坏；（6）灵活实用的使能控制方式，具有无音乐检测自动关闭功率输出电路（需前级解码芯片控制），过流、过温时，自动关闭功率输出电路等功能，实时保护芯片，节省电能。本论文所设计的芯片除在数字音频功放中应用外，还可以广泛应用于 PWM 功率放大，比如马达驱动、阴极射线管电视机的垂直放大器等。论文结构方面，本文主要由以下几部分构成：第一章：
36、介绍数字音频功放及开关功率放大器的国内外现状及发展动态，论述了本文设计的数字音频 H 桥功率放大电路的课题来源和实用价值，并对本文的章节进行安排。第二章：阐述数字音频功率系统的构成，分析了 H 桥功率放大电路的输入PWM 信号工作原理，两种桥式开关功率放大电路结构，及后级输出所接低通滤波器及扬声器模型。第三章：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、两种 H 桥功率放大器实验，并对实验结果进行了分析，为数字音频功放后级与前级的有机结合提供设计方案，同时对数字音频处理芯片提出一些修改建议。最终根据实验结果、系统分析及工艺支持，提出了 H 桥功率放大器的总体结构及
37、电路性能指标要求。第四章：对本课题中的子功能模块进行设计，对其工作原理及参数求解都作了详细的分析，并利用仿真给予验证。其中子功能模块包括：H 桥放大电路、低/高端功率管栅驱动、死区产生电路、使能控制电路、PTAT 基准电流源（含欠压闭锁）电路、过流保护电路、过温保护电路等。第五章：对 H 桥功率放大电路总体电路进行总体功能仿真和各项性能指标仿真、计算与分析，确保设计的电路满足性能指标要求。第六章：提出版图设计的指导思想、方法、工具实现等，最终采用 TSMC 的0.35mBCD 工艺，完成该电路的版图设计及 DRC、ERC、LVS 等后级验证。第七章：针对该电路进行测试方案设计，以便于投片后芯片
38、的测试。第八章：总结本文所做的工作。电子科技大学硕士学位论文 8 第二章 数字音频功放系统 本章介绍了数字音频功放系统的构成，并对各构成部分及重要信号进行了阐述与分析。重点分析了 PWM 信号产生机理及其两种控制模式、两种桥式开关功率放大电路、低通滤波器、扬声器模型等内容。2.1 数字音频功放系统结构 数字音频功放系统的系统框架图如图 2-1 所示1,2,5：图 2-1 数字音频功放系统框架图 开关功率放大器及数字音频处理芯片构成数字音频功放系统的核心部分，目前两者之间信号连接多以含有音频信息的 PWM 信号为载体。数字音频功放的高效率、低失真等优点与其后级开关功率放大器有着密切的关系。后级开
39、关功率放大器的转换速率，动态范围，驱动负载能力，工作效率等将直接影响着整体电路的性能，因此开关功率放大器是数字音频功放的重要部分之一。而 H 桥功率放大器凭着高效率、大功率等优点成为后级开关功率放大器的主流。2.2 PWM 信号分析 脉冲宽度调制（PWM）就是脉冲的幅度一定，而脉冲的宽度按原信号的功率而变化的调制，是脉冲调制的方法之一。假设原始信号为()sinf tt，那么经过脉冲宽度调制后产生的 PWM 波的脉冲宽度)(t为：)(1)(0tmft (2-1)PWM 模拟音源 数字音源 数字音频处理芯片 开关功率放大器 经放大的 PWM 音 源 L P F 核心部分 第二章 数字音频功放系统
40、9 其中m称为调制度。在最简单的情况下，载波为一周期矩形脉冲，其脉宽为0，0可以等于脉冲周期0T的一半，满调时（m100）脉冲宽度的极限值为 0 和0T。这样，对已调制的脉冲取时间平均值，便可以得到调制信号。脉冲宽度调制如图 2-2 所示：图 2-2 脉冲宽度调制（PWM）在图 2-2 中，脉冲的中心距都是0T，前后沿对称的改变其间距，这样的脉冲宽度调制称为对称调制。通常也可采用只调制前沿或只调制后沿的脉冲信号，分别称为前沿调制和后沿调制。对 PWM 调制进行傅立叶分析，可得到以下一些结论：（1）调制后的 PWM 信号中含有音频基波分量，幅度和脉冲幅度 A、调制度m 成正比，改变脉冲的幅度和调
41、制度，都可以对音频信号进行放大；（2）含有载波的基波以及载波的高次谐波；（3）含有载波谐波和音频及其谐波的组合频率；（4）载波和音频的高次谐波落入音频基带（020KHz）中，形成固有失真,通过分析可知，采样频率越高，固有失真越小；（5）在对称调制中，载波的偶次谐波被抵消，载波的奇次谐波和音频的奇次谐波的组合频率抵消，载波的偶次谐波和音频的偶次谐波的抵消。由以上结论可知，提高采样频率，可以降低音频基带的固有失真。但这样会使输出 PWM 波的频率随之升高，不利于后级放大，实际应用中需综合考虑9-10。在中大功率数字音频功放中，后级驱动多采用 BTL（Balanced Transformer Les
42、s）的驱动形式，以实现高效率、高功率。BTL 结构中，最常见的结构就是由DMOS 构成的 H 桥开关放大器。电子科技大学硕士学位论文 10 针对 BTL 驱动所需的两路信号的选取，音频 PWM 信号有以下两种9,11,12：1传统的传统的 PWM 调制调制相位相反信号相位相反信号 采取两路输出脉冲相位相反的方式，无信号输入时，BTL 输出的电压电流波形如图 2-3 示。由图可以看到，采用这种方案零输入时的 BTL 输出的电压是垒加变大的，即使经过滤波后在零输入时的负载电流还是比较大，在滤波器设计不好时，则流过负载的电流就更大。可见采用这种方案零输入时的负载电流较大，导致负载上的损耗大，降低了放
43、大器效率。另外由于这一方案对滤波器的要求比较严格，而好的滤波器的设计较为困难，所以一定程度上不利于整体的实现。图 2-3 传统 PWM 调制下 BTL 输出电压电流波形 2改进改进的的 PWM 调制调制双路反宽信号双路反宽信号 每路输出电压仍从 0 至 VDD，但是在 0 信号输入时，两路的输出电压几乎是同相（由于很难做到同相，所以总会存在一定的相移），这时加在滤波器上的电压就几乎为 0。经滤波器输出到负载（扬声器）的电流波形如图 2-4 示。由图可以看到，由于两路同相输出，加载到滤波器的电压近似为 0，此时负载电流极小，从而静态功耗很小。图 2-4 改进 PWM 调制下 BTL 输出电压电流
44、波形 当有信号输入时，则两路 PWM 的占空比就会随着变化，如果有一路输出脉冲第二章 数字音频功放系统 11 输入为负 输入为正 的占空比变大的话，另一路输出脉冲的占空比一定变小，也就是这两路 PWM 是“反宽度”的，因此把这两路信号称为双路反宽度信号。输入信号为正时，输出的电压电流波形如图 2-5 示。当输入信号为负时，输出的电压电流波形如图 2-6 所示。从中可以得到采用“反宽度”的 PWM 作为 D 类放大器的 BTL 驱动信号其最大的好处是，抑制的零信号输入时静态损耗，进一步提高了放大器的效率。图 2-5 输入为正时 BTL 输出电压电流波形 图 2-6 输入为负时 BTL 输出电压电
45、流波形 实际应用中，PWM 信号有数字音频处理电路（DAP）产生，调制方式亦由其实现，大多采用后一种方案，即双路反宽 PWM 信号。2.3 两种桥式开关功率放大器分析 数字音频功放后级功率放大部分常用的开关功率放大器结构有以下两种：一种为由 N、PMOSFET 对管组成的全桥开关电路；另一种为由 NMOSFET 组成的 H桥开关电路。对此两种电路分析如下9,13,14：1N、PMOSFET 对管组成的全桥开关电路对管组成的全桥开关电路 N、PMOSFET 对管组成的全桥结构如图 2-7。图 2-7 N、PMOSFET 对管组成的全桥开关电路结构图 电子科技大学硕士学位论文 12 该结构 CMO
46、S 工艺就可以实现，便于单片集成，但功率不大，适合便携式数字音响。全桥开关电路结构的驱动输出电压必须与 MOS 的漏源电压保持一致，实际应用中，功率 MOS 驱动器的输出电压一般在十几伏左右，即功率 MOS 的漏源电压只能上到十几伏。由于 PMOS 的迁移率小于 NMOS，因此在一定电流要求下，PMOS 面积较 NMOS 管大。另外，全桥开关电路存在单臂 shoot-through 现象，需对 PMOS、NMOS 管分别驱动，增加死区电路，以防止导通时间过长，烧毁器件。由于 P 管和 N 管的开关速度不一致，需要在设计该功率反相器时，对 N、PMOS的掺杂浓度及两管的宽长比上做充分的考虑。根据
47、对称波形设计规则：信号的上升时间和下降时间大致相等，所以在一个反相放大器中 PMOS 和 NMOS 的宽长比的比值应与它们的迁移率的比值相反，即 PMOS 的宽长比应为 NMOS 宽长比的比值应约为 23 倍（设两管的阈值电压通过调沟，使得thpthnVV）。为提高输出效率，后级功率管的输出电阻应尽量小，即：ONLRR。根据工作在稳定状态的 MOS管是工作在线性区的这一特性，综合考虑电源电压、输入栅压、阈值电压、输出电流等因素，可以算出全桥开关电路中各 MOS 管的宽长比。2NMOSFET 组成的组成的 H 桥开关电路桥开关电路 NMOSFET 对管组成的 H 桥开关电路结构如图 2-8。图
48、2-8 NMOSFET 对管组成的 H 桥开关电路结构图 H 桥开关电路所用的四个功率管均为 NMOSFET，该电路具有导通电阻小（相对 P 管而言），开关速度快，输出功率大，匹配性好，节省面积（相对全桥电路）等特点。该结构多采用高压大电流的功率 DMOS 实现。由于功率 DMOS 较大的寄生栅电容的存在，要求每一个功率管有一个驱动电路，驱动电路在控制逻辑的控制下，能快速地对功率 DMOS 的栅电容进行充放电，从而达到快速地开关功率 DMOS 的目的。第二章 数字音频功放系统 13 由于低端功率 DMOS 的源端始终接地，对栅驱动信号 ALG 和 BLG 没特殊要求，一般情况下直接由 H 桥电
49、源电压提供。而高端功率 DMOS 的源端交替接在电源和地两种电位上，其栅驱动信号 AHG 和 BHG 就有特殊的要求：即在该功率DMOS 的开启状态下，其栅电压必须比电源电压高出数伏，以维持其导通状态。因此需要一个自举电路产生高于电源电压的栅驱动信号。与全桥开关电路类似，H 桥开关电路中亦需通过增加死区时间，防止单臂shoot-through 现象。为提高 H 桥开关电路输出效率，后级功率管的输出电阻应尽量小，即：ONLRR。根据工作在稳定状态的 MOS 管是工作在线性区的这一特性，综合考虑电源电压、输入栅压、阈值电压、输出电流等因素，可以算出 H 桥开关电路中各 NMOS 管的宽长比。以上两
50、种桥式开关电路均工作在开关模式，随着输入信号的改变，四个 MOS开关的状态随着转换，始终只有对角一对 MOS 开关打开，另一对关闭，因此电流流过负载的形态如图 2-9 所示13,14。图 2-9 H 桥开关电路负载电流示意图 本文设计采用 H 桥开关功率放大电路结构。2.4 低通滤波器及扬声器模型 1低通滤波器低通滤波器11,19 低通滤波器是还原 PWM 信号中音频信息的重要电路。BTL 输出所用低通滤波器多采用如图 2-10 所示的结构。其中的 L、C 与 Rload 及截止频率cof的关系如下：电子科技大学硕士学位论文 14 ge gR ER EL e cU Cf Rf P MDM MS