高效率、低失真的D类音频功率放大器

厦门大学
硕士学位论文
高效率、低失真的D类音频功率放大器
姓名：叶春晖
申请学位级别：硕士
专业：测试计量技术及仪器
指导教师：冯勇建
20090501
摘要
半导体技术的进步重新唤起了人们对Ｄ类音频功放的兴趣，尤其体现在便携器件等消费电子产品中Ⅲ。

本文对双声道Ｄ类音频功率放大器进行研究，通过使用双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术极大降低了静态功耗，从而将低输入状态下的芯片的效率提高Ｎ９０％。

同时将谐波失真降至０．０３％．并且通过独特的二阶反馈环路增大系统带宽，使系统在２０赫兹ｊ！ｌＪ２００００赫兹的音频范围内具有平坦的响应曲线。

就此本文主要开展了以下研究工作：
１．综合考虑器件成本和性能的要求，选取了现代公司的０．６Ｕｍ线宽标准工艺，在保证合理的成本和芯片面积的前提下得到最优化的效率以及相应的输出功率性能。

通过对输出级电路分析计算，确保芯片在该工艺条件下的运行安全性。

２．深入分析计算了以往各种采样技术的特点，设计了双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术作为Ｄ类音频信号调制器的核心技术，提高了系统线性度，极大降低了系统静态功耗。

３．设计独特的二阶反馈环路增大系统带宽。

建立传递函数模型，通过ＭＡＴＬＡＢ分析系统的线性与稳定性。

通过ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真，计算出系统的失真度。

４．设计并全差分结构的运算放大器作为组成音频信号调制器的核心放大器，以得到更高的集成度，并且不需要使用输入耦合电容对。

设计轨到轨的高反应速度的比较器作为脉宽高制信号发生器，从而将信号相移最小化，同时保证系统的稳定性。

５．完成包括Ｄ类音频调制器以及功率输出级在内的整个器件的所有具体电路设计与仿真验证；完成了器件的版图设计、后端生产以及性能测试。

所得到的产品在拥有高达９０％的效率与低至０．０３％的失真度，在效率与失真度方面性能优异，十分符合音频领域的应用要求。

该Ｄ类音频功率放大器的性能良好，拥有极高的效率以及低失真，同时还拥有占空间小，成本低的优势，适合于手机等便携式消费电子产品的音频应用，在国内处于领先地位，具有广泛的市场前景。

关键词：ＣＭＯＳ；Ｄ类音频；功率放大器
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＲｅｃｅｎｔａｄｖａｎｃｅｓｉｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｖｅｒｅｎｅｗｅｄｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎＣｌａｓｓ—Ｄａｕｄｉｏａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｏｒｐｏｒｔａｂｌｅｄｅｖｉｃｅｓ，ａｎｄｃｏｎｓｕｍｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．【ｌ】．
ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｓｔｅｒｅｏｃｌａｓｓＤａｍｐｌｉｆｉｅｒｗｈｉｃｈｕｓｅａｄｏｕｂｌｅ－ｓｉｄｅｄｎａｔｕｒａｌ
ａｃｈｉｅｖｅｖｅｒｙｌｏｗｓａｍｐｈｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｑｕａｒｔｅｎａｒｙｐｕｌｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｔｏｗｅｑｕｉｅｓｃｅｎｔｃｕｒｒｅｎｔ，ＳＯｔｈａｔｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｓｙｓｔｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｔｌｏｗｉｎｐｕｔｔｏ９０％．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｌｏｗｅｒｔｈｅＴＨＤｔｏ０．０３％．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｕｓｅｓｐｅｃｉａｌｄｅｓｉｇｎｅｄｓｅｃｏｎｄｏｒｄｅｒｆｅｅｄｂａｃｋｌｏｏｐｔｏｗｉｄｅｎｓｙｓｔｅｍｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ＳＯｔｈａｔｗｅｆｌａｔｂａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｃａｎｇｅｔａｂｅｔｗｅｅｎ２０Ｈｚａｎｄ２０ｋＨｚ．
ｆｏｌｌｏｗ：Ｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｗｏｒｋｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｓｌｉｓｔｅｄａｓ
１．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｂｏｔｈｃｏｓｔａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｅｍａｎｄ，ｗｅｓｅｌｅｃｔｔｈｅ０．６ｐｍｓｔａｎｄａｒｄｐｒｏｃｅｓｓ
ｖｅｒｙｄｅｌｉｖｅｒｅｄｂｙＨｙｎｉｘＩｎｃ．，ａｃｈｉｅｖｉｎｇｏｐｔｉｍａｚｅｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｈｉ曲ｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ．Ｗｅｃａｒｅｆｕｌｌｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｔａｇｅｔｏａｓｓｕｒｅ
ｐｒｏｃｅｓｓ．ｓｙｓｔｅｍ’Ｓｓａｆｅｔｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｉｓ
２．Ｗｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ
ｎａｔｕｒａｌｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓａｍｐｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｄｅｓｇｉｎａｄｏｕｂｌｅ—ｓｉｄｅｄａｓｔｈｅｃｏｒａｌｓａｍｐｌｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｑｕａｒｔｅｎａｒｙｐｕｌ
ｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｓｙｓｔｅｍｌｉｎｅａｒｉｔｙａｎｄｌｏｗｅｒｉｎｇｔｈｅｑｕｉｅｓｃｅｎｔｃｕｒｒｅｎｔｔｒｅｍｅｎｄｏｕｓｌｙ．３．Ｄｅｓｉｇｎｓｅｃｏｎｄｏｒｄｅｒｆｅｅｄｂａｃｋｌｏｏｐ
ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｕｓｅＭＡＴＬＡＢｔｏａｎａｌｙｓｉｓｔｏｗｉｄｅｎｓｙｓｔｅｍｂａｎｄｗｉｄｔｈ．Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｓｙｓｔｅｍ’ｓｔｒａｎｓｆｅｒｓｙｓｔｅｍｌｉｎｅａｒｉｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ．ＣａｌｃｕｌａｔｅｓｙｓｔｅｍＴＨＤｂｙｓｉｍｕｌｉｎｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔ００１．
４．Ｓｅｌｅｃｔａｎｄｄｅｓｉｇｎａｎｏｐｅｒａｔｉｏｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｏｆｆｕｌｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｓｔｈｅｃｏｒａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ｆｏｒｉｎｐｕｔａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｗｈｉｃｈｃａｐａｃｉｔｏｒｓ．
ａｎｄｉｓａｃｈｉｅｖｉｎｇｈｉｇｈｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｍｏｖｅｓｔｈｅｎｅｅｄｃｏｕｐｌｉｎｇ５．Ｆｉｎｉｓｈａｌｌｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｄｅｓｉｇｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｉｎｄｅｔａｉｌｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｄｅｖｉｃｅ．Ｆｉｎｉｓｈｔｈｅｌａｙｏｕｔ，ａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｈａｓｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｓｈｉｇｈａｓ９０％ａｎｄＴＨＤ蠲ｌｏｗａｓＯ．０３％．
Ｉｔｈａｓｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄｉｔＣａｎｂｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｆｏｒｋｉｎｄｓｏｆｐｏｒｔａｂｌｅａｕｄｉｏｄｅｖｉｃｅｓｗｉ廿１ｉｎｔｅｒｎａｌｓｐｅａｋｅｒｓ．Ｉｔ’Ｓｒｅａｌｌｙｎｅｅｄｅｄｂｙｐｏｒｔａｂｌｅｄｅｖｉｃｅｍａｒｋｅｔ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＣＭＯＳ；Ｃｌａｓｓ—ＤＡｕｄｉｏ；Ｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ．
厦门大学学位论文原创性声明
本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。

本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和《厦门大学研究生学术活动规范（试行）》。

另外，该学位论文为（
的研究成果，获得（
资助，在（）课题（组））课题（组）经费或实验室的）实验室完成。

（请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。

）
队人登
口Ｈ／）Ｏｐ年年月名／，日倚，
触４、、
厦门大学学位论文著作权使用声明
本人同意厦门大学根据《中华人民共和国学位条例暂行实施办法》等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论文（包括纸质版和电子版），允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅、借阅。

本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。

本学位论文属于：
（）１．经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，年
ｆ于月日解密，解密后适用上述授权。

（√）２．不保密，适用上述授权。

（请在以上相应括号内打“√’’或填上相应内容。

保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文。

此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权。

）明
≥口＠名Ｘ声夕年人／扮月签“汐日●●，Ｊ
第一章绪论
第一章绪论
§１．１Ｄ类音频放大器综述
§１．１．１Ｄ类放大器的优势
当今的电子设备开始趋向于便携化，而这种便携特性需要小的体积以及高效率才能够维持足够的电池使用时间。

这种趋势开始影响到音频放大器的设计开发［２－３１。

传统上我们将ＡＢ类音频放大器在手机等便携器件上作为扬声器驱动。

但是，ＡＢ类音频放大器的效率通常都小于２０％，这就减少的系统的电池寿命，并且增加了热耗散【４１。

Ｄ类放大器是一种输出开关状态信号的放大器。

当输出功率开关管关闭，流过放大器的电流为零。

当输出功率开关管导通，开关管所承载的压降很小，在理想的状况下，这个值应是零。

所以无论在开关导通或是关闭，消耗在放大器内部的功率都很小。

这就提高了效率，进而，它只需要更少的电能消耗和更小的散热器。

对于电池供电的便携器件而言，这是一个十分重要的优势【５１。

§１．１．２实现Ｄ类音频放大器的两大类技术
就技术领域来而言，Ｄ类音频放大器可以依照输入信号的类型分为两大类：模拟Ｄ类音频放大器与数字Ｄ类音频放大器【６】。

模拟Ｄ类音频放大器到目前为止一直是Ｄ类音频实现技术的主流。

模拟Ｄ类音频放大器接收模拟音频输入信号，通过信号调制结构将模拟音频信号置于高频载波
之上，并传送至功率输出级。

模拟Ｄ类音频放大器的信号调制机构由于可以采用自然采样模式，不会产生固有谐波分量，因而可以实现比较高的线性度研。

并且，模拟Ｄ类音频放大器可以相对容易地实现负反馈控制，通过反馈机制，进一步有效地提高包括线性度，电源噪声免疫性在内的各项音频性能特征［８－９１。

基于上述特点，模拟Ｄ类音频有更为简单的可实现性并且不需要特殊设计的精确电源，在应用端可以简化外围电路的使用，因而目前依然是Ｄ类音频产品所使用的主流技术。

本文所介绍的Ｄ类音频放大器也属于模拟Ｄ类音频
高效率、低失真Ｄ类音频功率放大器
放大器的范畴。

数字Ｄ类放大器接收数字音频输入信号。

同样要通过信号调制结构将数字信号置于高频载波之上，并传送至功率输出级。

数字Ｄ类音频目前在诸多技术环节仍存在困难。

由于数字Ｄ类放大器采用线性插值法采样，在采样方式上存在固有的误差，因而在线性度上不及模拟Ｄ类音频［１０。

ｌｌ】，更重要的是，数字实现方式难以实现反馈控制，使得数字Ｄ类音频更加依赖于良好的外围电路设置。

但数字方式的好处同样显而易见，全数字的实现方式可以省去面积可观的模拟电路模块；全数字的音频信号通道对耦合噪声并不敏感；全数字的实现方式可以更加灵活地实现片上的音频信号处理，并可以省去系统的数模转换器［１２－１３ｌ。

数字实现Ｄ类音频目前仍只有极少的市场应用，但如果上述的技术困难可以得到解决，数字实现将会是一个很有竞争力的选择，成为未来Ｄ类音频技术的发展方向。

§１．２Ｄ类音频放大器市场分析
音频系统对节能及缩小空间的需求趋势正在成为Ｄ类功放市场增长的主要驱动力。

据市场调研公司Ｇａｒｔｎｅｒ预测，２０１１年Ｄ类音频放大器的销售额将从２００６年的３．３４亿美元增长到６．８８亿美元，复合年增长率为１５．６％。

良好的市场前景引发半导体厂商的研发热潮。

目前美国德州仪器（ＴＩ）、美国国家半导体（ＮＳ）、ＡＤＩ、Ｍａｘｉｍ、恩智浦半导体（ＮＸＰ）、安森美（０ｎｓｅｍｉ）、意法半导体（ＳＴ）等都已开发出多代方案【１４１。

§１．２．１Ｄ类音频产品的应用分类
目前的Ｄ类音频放大器按照应用场合可以明确地画分为便携应用与高功率应用两大类。

（１）便携应用：
以手机应用为代表，还包括有ＰＤＡ，便携ＤＶＤ，收音机，游戏机等等。

它们的共同特点是都由电池供电，供电电压在５．５Ｖ以下，输出功率由于供电电压的限制一般低于３Ｗ。

市场对便携类产品的巨大需求造就了面向该应用的Ｄ类音频产品设计的活跃。

２
第一章绪论
（２）高功率应用：
包括电视，ＤＶＤ家庭影院音频系统以及车载音响系统等等。

它们的供电电压一般在８Ｖ以上，可以高至６０Ｖ（需要相应的高耐压ＣＭｏＳ工艺支持）。

因而可以提供大功率输出以满足应用的需要。

市场对高功率Ｄ类音频的需求还处在上升阶段，前景十分广阔。

§１．２．２市场主流的Ｄ类音频产品
到目前为止，Ｄ类音频产品仍是美欧目的天下，主流的Ｄ类音频功放产品仍为欧美日主要半导体厂商所垄断。

（１）便携应用类：
德州仪器的ＴＰＡ２０１０：ＴＰＡ２０１０是一款经典的Ｄ类音频产品，为以诺基亚为代表的手机厂商广泛采纳，在国内亦是市场的主流产品。

以ＴＰＡ２０１０为基础，德州仪器推出一系列的面向便携应用的Ｄ类音频产品，包括ＴＰＡ２００５，ＴＰＡ２０１２，ＴＰＡ２０３５等等。

这些产品占据了巨大的市场分额，它们的功能及引脚的定义成为其它厂商的范本。

而它们所标注的性能参数，则是各厂商竞相比拼的重点。

雅马哈的ＹＤＡｌ５３：雅马哈的Ｄ类音频产品占有较大的市场分额。

ＹＤＡｌ５３是雅马哈推出的带有自动增益控制的Ｄ类音频产品。

在同类产品中占主流地位。

为多数主要厂商所采用。

ＡＤＩ的ＳＳＭ２３ＸＸ系列：ＡＤＩ的ＳＳＭ２３ＸＸ系列是ＡＤＩ公司面向手机应用设计的系列Ｄ类音频功放产品。

这类产品采用其特有的∑一△脉冲调制技术。

在失真度指标上有十分突出的表现。

近年来ＡＤＩ公司的ＳＳＭ２３ＸＸ系列开始在市场上流行，成为国内大手机厂商的重要供应商。

此外，美国国家半导体，Ｍａｘｉｍ，恩智浦半导体（ＮＸＰ）、安森美（Ｏｎｓｅｍｉ）、意法半导体（ＳＴ）也都有一定的市场分额。

（２）高功率应用类：
德州仪器的ＴＰＡ３００Ｘ系列：德州仪器的ＴＰＡ３００Ｘ系列是德州仪器推出的面向电视应用的Ｄ类音频产品。

这类产品也是输出功率在１０Ｗ左右的Ｄ类音频产品的典范，得到了包括苹果公司在内的大公司的广泛采用。

其产品定义为其它众多厂商所效仿。

３
高效率、低失真Ｄ类音频功率放大器
除了ＴＰＡ３００Ｘ系列，德州仪器还推出了面向电视应用ＴＰＡ３１０Ｘ系列与ＴＰＡ３１２Ｘ系列，面向汽车应用的ＴＡＳ系列。

其丰富的产品族群涵盖了大多数的应用需求。

国际整流公司的ＩＲＳ２０９Ｘ系列：国际整流公司专攻面向高功率应用于的Ｄ类音频产品。

国际整流公司推出的ＩＲＳ２０９Ｘ系列Ｄ类音频功放控制器，配
合其专有的功率ＭＯＳ管芯片，可以达到十分优秀的输出音质，在高端Ｄ类音频应用上占有一席之地。

此外，美国国家半导体，Ｍａｘｉｍ，恩智浦半导体（ＮＸＰ）、意法半导体（ＳＴ）也都拥有自己的高功率Ｄ类音频产品。

§１．３本课题的主要工作
本课题是矽恩微电子（厦门）有限公司面向便携市场（主要是手机）应用而研究开发的一款高效率、低失真的Ｄ类音频功率放大器。

目标在于改变欧美半导体厂商在这一领域的垄断局面。

作为面向商业终端的产品，该设计不仅需要有很好的音频参数指标，同时在设计的鲁棒性，芯片工作的安全可靠性方面也都有很高的要求。

因而我们需要有创新的音频调制结构以实现好的音频指标。

同时也需要将工艺、封装、电路实现、版图设计进行综合而严谨的考虑分析，以实现芯片设计的鲁棒性，以及芯片运行的安全可靠性。

从而保证芯片生产的高成品率，降低芯片在终端用户使用过程中的失效风险。

本设计的主要工作模块如图ｉ－Ｉ所示，其中输入增益级，脉宽调制器以及输出半桥结构组成的音频信号通道是整个芯片的核心部分。

同时，芯片中还包括有偏置模块来支持音频信号通道的正常工作。

另外，芯片中还含有输出短路保护电路以防止芯片因为终端用户的误操作而损坏。

４
第一章绪论
ＬＩ匮州
瑚
例
ＳＤＲ
ＳＤＬ
图１－１芯片的主要工作模块示意图
本课题的主要工作包括：
１．综合考虑器件成本和性能的要求，选取了现代公司的０．６胁线宽标准工艺，在保证合理的成本和芯片面积的前提下得到最优化的效率以及相应的输出功率性能。

２．选用双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术作为Ｄ类音频信号调制器的核心技术，其良好的线性表现可以很好地在输出端再现音源信号的丰富内涵，同时最小化静态功耗。

３．设计全差分结构的运算放大器作为组成音频信号调制器的核心放大器，以得到更高的集成度，并且不需要使用输入耦合电容对。

设计轨到轨的高反应速度的比较器作为脉宽高制信号发生器，从而将信号相移最小化，同时保证系统的稳定性。

４．完成包括Ｄ类音频调制器以及功率输出级在内的整个器件的所有具体电路设计与仿真验证；完成了器件的版图设计、后端生产以及性能测试。

所得到的产品在拥有高达９０％的效率与低至０．０３％的失真度，在效率与失真度方面性能优异，十分符合音频领域的应用要求。

５
高效率、低失真Ｄ类音频功率放大器
第二章晶圆工艺、封装工艺的确定及芯片安全运行分析§２．１晶圆工艺的确定根据我们的设计经验，一般说来，在晶圆工艺选用上主要有三条基本原Ｎ－１）工艺各参数必须与产品的设计目标相匹配。

２）考虑工艺的成熟程度。

３）考虑成本。

针对Ｄ类音频功放的特定要求，我们可以将以上三点原则具体化如下：首先，是工艺各参数与产品的设计目标相匹配。

主要的考量因素有：
ａ．ＭＯＳ晶体管各端相对电压承受能力及它们与地电位的绝对电压承受能力。

这一因素关系到该Ｄ类音频功放所能达到的动态输出范围以及输出功率级所能选用的结构。

由于本设计针对以手机为主的便携市场，所要求的动态范围低于５Ｖ，另外，由于工作电压低于５Ｖ，不需要图腾柱式ｎ钉输出级结构，相对绝对地的电压承受力也只需５Ｖ，因而只需选用标准５Ｖ工艺即可满足设计需要。

ｂ．ＭＯＳ晶体管的电流能力，包括饱和区电流与开关阻抗。

对于Ｄ类音频功放而言，有影响的主要是开关阻抗值。

这一因素关系到Ｄ类功放的输出阻抗值，也就是Ｄ类功放输出功率的大小以及芯片的效率。

选择合适的工艺才能在合理的芯片面积下得到高的输出功率和芯片效率。

当今多数的晶圆代工厂商都能提供电流能力合适的５Ｖ标准工艺。

在一些特殊应用要求下，可以考虑使用ＢＣＤ工艺来获得特别低的输出阻抗值。

ｃ．电容的电压承受能力。

电容在一些特殊情况下会被要求能够承受高的电
压而不会损坏。

大多数金属一氧化层一多晶硅电容或多晶硅一氧化层一多晶硅电容都有较高的电压承受能力。

本设计在电容耐压方面并没有特殊的要求。

标准５Ｖ工艺的电容完全可以满足设计要求。

ｄ．电阻器件类型以及其温度特性。

对于一般的设计而言，芯片都需要控制
片上的功率损耗，这就要求工艺能提供具有高方块阻值的多晶硅电阻。

大多数的标准５Ｖ工艺而言都能提供高方块阻值的多晶硅电阻。

本设计同样要求所用的工艺能提供高阻多晶硅。

６
第二章晶圆工艺、封装工艺的确定及芯片安全运行分析
ｅ．是否集成ＰＮＰ晶体管。

ＰＮＰ晶体管具有最好的可重复性，因而是用来组成带隙基准的必要器件。

本设计要求所用的工艺标准库中带有标准的ＰＮＰ
结构。

有时根据需要还可能要求有肖特基二极管以及齐纳二极管等特殊器件。

本设计并不要求特殊器件。

然后，是工艺的成熟程度。

要尽可能选用高成熟度的工艺以减少产品失败的风险。

一般地说，历史较长的大公司，往往能够提供更为成熟的工艺产线，这些工艺经过长期的投片生产以及调整，有很高的稳定性。

在众多的晶圆代工厂中，台湾的“台积电＂，“联电一，以及韩国的“现代＂公司，都能提供一些十分成熟的工艺产线。

国内的“华虹ＮＥＣ’’以及“华润上华＂公司也有一些比较稳定的工艺产线。

最后是要考虑成本。

大公司的工艺往往价格较高，所以如果一味选择大公司的工艺，有时并不能得到合适的利润。

有必要将成本以前述的两个因素进行综合考量，才能选到最为适合的工艺。

综合以上三项考量，本文的设计选取了现代公司３Ｐ３Ｍ＿０．６ｕｍ一５Ｖ—ＣＭＯＳ工艺。

即三层多晶硅，三层金属，最小线宽为０．６ｕｍ，额定承压能力为５Ｖ的工艺。

以下列举了该工艺的主要参数指标：
１．ＮａｏｈａｎｎｅｌＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ
ｌｆｏｒ
５ＶＡ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎ》
｛２１Ｏ．４９
ＴＯＸＮ
Ｌｓｌ
Ｎ
Ｌ＝Ｏ。

５
１２８
Ｏ．５６０．７４Ｏ．７６
１３５Ｏ．６３Ｏ．８３
Ｕｍ
ＶＶＶ
２０，１５
ＶＴＥＸＴ．．Ｎ
２０，ｏ．５
ｖ＇ｒＳＡＴ．．Ｎ
ＩＤＳＡＴ＿Ｎ
Ｏ．筠
０．６７
Ｏ．弱
２０∞．５２０／０．５
Ｏ．∞
４５０８．Ｏ
０ｔ４２
５１０
Ｏ。

秘
６ｊ００
Ｕ，ＡＪＵｍＶ、Ｉ一尼
ａＶＤＳＳ＿Ｎ
２∞．５
２Ｑ，１５
Ｏ．７３
ＧＡＭＭＡ＿Ｎ
２０／０．５妒垃
ＵｍＵｍ
０．０４４０．．１５３
Ｏ．４３Ｏ．１１４
０．２２３
ＤｅｂＬ－ＮＤｅｌｔａＷ＿ＩＮ
Ｏ．１８４Ｏ．２９３
７
高效率、低失真Ｄ类音频功率放大器
２．Ｐ－ＣｈａｎｎｅｌＴｏＸＰＬＳｉＰ
Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ｆｏｒ５ＶｏｐｅｒａｔｉｏｎｌＡ
１２０Ｏ．４９
１２７Ｏ。

５６－０．８８－０．８３
１３４
Ｌ＝０．５
２０，１５
Ｕｍ
Ｖ
Ｏ．６３－０．７８－Ｏ．７２－０。

３２
击．镐
母．９５
－０．６８－３７０
２０灼．５
Ｖ
Ｖ
Ⅵｓ禄３
ＩＤＳＡＴ＿Ｐ
２０幻．５２１Ｑ，ｏ．５２Ｑ，ｏ．５２Ｄ，１５
－０。

∞
・３０５
ｕＡ／ｕｍＶ
珊
－８．Ｏ
ＢＶＤＳＳ，
ＧＡＭＭＡ＿Ｐ
妒垃
Ｖｌｒ２
Ｏ．５６Ｏ．４６
２０∞．５
ＤｅｌｔａＬ＿ＰＤｅｌｔａＷ－Ｐ
４。

Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
ＵｍＵｍ
０．Ｏ∞
Ｏ．Ｏ∞
Ｏ．０７００．１４０Ｏ．２３０
Ｏ．１∞
ＮＷ＿Ｒｓｈ
Ｎ＋Ｒｓｈ
１∞，１００
ＯｈｍｄｓｑＯｈｍ／ｓｑＯｈｒｒＶｓｑＯｈｒｒＶｓｑＯｈｍ／ｓｑＯｈｍ／ｓｑＯｈｍ／ｓｑＯｈｒｒＶｓｑＯｈｎＶｅａＯｈｍ／ｅａＯｈｎ嘟ｅａＯｈｍｆｅｅＯｈｍｆｅａ
２９０６８
３６５８４１４５
４４０１００１７５１１１１
ｌ∞，１００
＇∞，１００
Ｐ＋融ｈ
Ｎｐｏｌｙ＿ＲｓｈＰｐｏｌｙ＿ＲｓｈＭ１Ｍ２
ＲｓｈＲｓｈ
＂５
１０，１∞
０．８，｛Ⅸ）ｏ
Ｏ．８，１０００Ｏ．８，｛Ｏｏｏ
Ｏ．０３Ｏ．０３Ｏ．０２１０４０
Ｏ．∞Ｏ．∞
Ｏ．０４
Ｏ．１５
０．１５
Ｏ．１３５０
Ｍ３ＲｓｈＮ＋Ｒｃ
Ｐ＋Ｒｃ
０．５旧．抛∞
０．５船．５’《２∞
２５
９０
２∞
４．Ｏ
５．Ｏ５．Ｏ
Ｐｏ移Ｒｃ
Ｖｉａｌ
Ｒｃ
ａ．册．５ｘ２∞
Ｏ．５／０．５×２∞
０．髫Ｏ．５）（２∞
２．５
Ｏ．１Ｏ．．１
１．Ｏ
１．Ｏ
Ｖｉａ２ＲＣ
８
第二章晶圆工艺、封装工艺的确定及芯片安令运行分析
§２．２封装型号的确定
为了与美国德州仪器的同类产品ＴＰＡ２０１２相兼容，
相同的封装。

ＱＦＮ２０封装引脚示意图如图２－１所示：我们选用了与ＴＰＡ２０１２硼１７１６
・目目
一堕］『１一－ｒ］Ｉ萋ＩＩ重ｌＬｊ口
广一一一一一一一Ｉ
｝！ｌｌ匝匦薰ｉ；圈ｉＯＵＴＬ－］‘一一一一一一一ｊ匦西习们
Ｉｌ固同同㈣Ｉ－＇７Ｌ．．．ｉ．．．Ｊ：．．ＪＬ．．．Ｌ．．．ｉ．．．Ｊ．．：Ｊ．．Ｕ：呈｝｛ｆ百ｆ：Ｉ委ｆｆ墓：ｆ錾｛
图２－１ＱＦＮ２０封装引脚示意图
“菱生’’精密工业股份有限公司是专门从事集成电路封装测试的厂商，对于芯片的封装有丰富的经验，其高效的工作和良好的产品质量使我们选用・・菱生＂公司的ＱＦＮ２０封装。

图２－２ＱＦＮ２０封装的尺寸视图
９
高效率、低失真Ｄ类音频功率放人器
§２．３芯片运行安全性分析
在即定的工艺条件下，Ｄ类音频功放的动态输出范围受到安全运行域的限制。

其原因在于驱动动态性能十分复杂的扬声器负载所带来的复杂的输出波形。

这些波形常常带有超调，因而会带来电压过载危险。

这一现象的存在给芯片运行带来了安全隐患。

或者从另一方面说，安全运行域限制了Ｄ类音频功放的动态输出范围指标‘捌。

图２－３典型的输出级结构等效电路
以上图所示的典型输出级结构为例，Ｑ０的峰值漏源电压可以等效如下ｎ们：ＶＤＳ．ｐ．Ｑｏ兰‰＋（２－１）
由此可以计算得到芯片在安全运行域内可以达到的最大输出功率。

根据本设计的相关参数可以计算得出在５．５Ｖ工作电压下的峰值漏源电压为７．５Ｖ，同时本设计的所选择的现代公司的标准５Ｖ工艺的Ｎ型ＭＯＳ管的最小耐压值为８Ｖ，因而本设计的输出动态范围最大可以达到５．５Ｖ而不至于损坏输出功率管。

对于典型的市场应用而言，芯片动态范围仅需要达到４．２Ｖ即可，本设计所选用的工艺在实际的应用环境下完全可以满足安全运行要求。

对于一些特殊的应用情况，考虑到工程应用产品对于质量的苛刻要求，在芯片生产出来后还要进行老化试验，以测试芯片在特殊应用条件下的质量以及是否出现产品加速损坏的情况。

１０
第三章高效率、低失真模拟Ｄ类音频功率放大器的核心脉宽调制架构设计
第三章高效率、低失真模拟Ｄ类音频功率放大器的核心脉宽
调制架构设计
Ｄ类音频放大器优于ＡＢ类放大器的最大特点就是使用开关状态的输出级，它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。

本设计的核心工作就在于为Ｄ类音频设计最为优质的脉宽调制架构，以保证开关式的输出信号具有最小的失真度水平，保证音乐信号的完美再现。

§３．１模拟Ｄ类音频功放的基本架构
§３．．１．１模拟Ｄ类音频功放架构的分类
在绪论中，我们提到本设计选择模拟Ｄ类放大器作为Ｄ类放大器的核心架构，并简述了原因。

实际上，模拟Ｄ类音频功放的基本架构又可以分成三大类：
１）脉宽调制架构。

脉宽调制架构的特点是实现的电路结构最为简单。

因而最为广泛地在设计实践中被采用。

２）过采样调制架构。

过采样调制架构在本质上是模数转换器设计。

它的结构已经很好地建立起来ｎ７１。

在高端的助听器设备中，一阶的过采样调制器常常会被考虑使用。

但是我们知道由于过采样系统的电路更为复杂，一阶过采样调制器的电流损耗大约是脉宽调制架构的１２倍。

而且所占的芯片面积大约是脉宽调制架构的２．６倍。

这些显著地增加了电能损耗与硬件开支。

在线性度方面，一阶过采样方式的谐波失真在高调制深度时比脉宽调制架构的谐波失真更小。

但在低调制深度时，二者的失真度相近。

３）“梆一梆’’控制方式ｎ蚰。

“梆一梆＂控制方式是基于迟滞结构的调制器，它能计算输入与输出之间的误差。

单这个误差值大于一个边界值时（或者离开了迟滞带），控制器就会改变状态从而将输出拉回到误差边界以内。

“梆一梆＂控制方通常需要一个高的时钟速率。

并且，虽然比过采样方式稍好，“梆一梆＂控制方式同样需要比较复杂的实现电路。

这样，也就需要更大的硬件面积来实现这种控制方式。

另外，“梆一梆”控制方式的电能损耗与一阶过采样方式可相比较，它的线性度也与一阶过采样方式相近。

高效率、低失真Ｄ类音频功率放大器
综合成本与电能损耗方面的考虑，大多数的模拟Ｄ类音频放大器采用脉宽调制架构。

本设计也将采用脉宽调制为基础的音频调制架构。

§３．１．２脉宽调制架构原理
所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。

这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。

这时
候，要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放放大就可以了。

把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。

这种脉宽调制可以用一个等幅三角波来对音频信号进行采样。

为了避免失真这个三角波的频率必须远高于音频信号的最高频率分量。

音乐信
图３－１Ｄ类放大器的基本架构图
最简单的脉宽调制器如上图所示。

它实际上就是一个比较器，另外加上输出功率级以及低通滤波器。

比较器的一端输入原始要放大的音乐信号，另一端就输入一个高频三角波或者高频锯齿波。

在这个比较器的输出就是一个脉宽被调制的矩形波。

这个输出矩形波具有与输入载波相同频率，只是它的脉宽受到了输入音乐信号的调制，并且这个脉宽与输入音乐信号的幅值成正比ｎＨ副。

这个矩形波将会通过一定的输出级控制电路，然后被直接加到一对互补晶体管进行放大。

这对互补晶体管具有很小的输出阻抗（通常只有几百毫欧，高功率应用时会低于１００毫欧），它的表现就像是一个输出方波的理想电压源。

然后这个输出会被加到一个低通滤波器，低通滤波器会滤除包含在方波输出中的高频载波分量，因此，在低通滤波器的输出端，我们可以得到放大后的音乐信号输出。

实际上动圈式扬声器的动圈也是一个电感，它本身也有一定的低通作用（值得一提的是，在本设计中，我们将会呈现一种利用动圈式扬声器内部电感进行滤波，从而免去低通滤波１２
第三章高效率、低失真模拟Ｄ类音频功率放大器的核心脉宽调制架构设计
器的四态开关结构）。

§３．２采样模式选择
脉宽调制架构总是需要一个载波信号（或者说采样信号），将它的幅值与瞬时输入的调制信号相比较来得到脉宽调制信号。

这个比较的过程称为采样。

这一节我们将会介绍各种形式的采样信号，继而回顾并比较以往文献中报告过的采样模式与算法。

进而，我们将会阐述我们选用双边自然采样的脉宽调制技术作为本设计Ｄ类音频信号调制器的核心技术的理由。

前缘锯齿波
后缘锯齿波
三角波
图３－２三类采样信号
采样信号可以大至分为三类：单边后缘锯齿波，单边前缘锯齿波，双边三角波。

在模拟Ｄ类音频功放中，最为常见的是双边三角波的采样信号。

因为它的模拟电路中最为容易实现，并且双边模式可以得到以双倍于单边模式的音乐信息，从而更好地完成对音乐信号的还原。

而在数字Ｄ类音频功放中，最为常用的是单边后缘锯齿波，因为这种采样信号在数字Ｄ类功放中最为容易实现。