AB类音频功率放大器的设计

论文摘要

随着科技水平的提高,功率集成电路发展迅速。功率集成电路（PIC）是指将高压功率器件与信号处理系统及外围驱动电路、接口电路、保护电路、检测电路等集成在同一芯片上的集成电路。音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分,并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地,音频功放的需求曰益倍增,因此研究音频功率放大器具有非常实际的意义。本论文在设计高开环增益稳定的AB类CMOS功率放大器的过程中,首先从电路的基本结构着手,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电路形式。采用三级结构分别设计了双端输入双端输出差分放大电路的输入级,电压放大级,互补对称推挽式功率输出级。辅助电路包括静音驱动电路和偏置电路。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,放大器0dB增益带宽达到100KHz,静态电流为4mA,在32Ω负载的情况下最大输出电流可以达到41mA,输出功率达到54mW,总谐波失真+噪声（THD+N）小于0.1%。放大器低频开环增益为96.8dB,具有优良的闭环稳定性和抗电源噪声干扰能力,在5V电源供电的情况下输出电压摆幅达到1.31V。另外,为了改进功率放大器输入电压范围,一种互补折叠式共源共栅结构代替原有的共源共栅结构。最后,芯片版图设计采用了0.6μm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,共用源区和漏区,进一步减小了芯片面积。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 CMOS技术及特点
• 1.3 课题的设计指标要求
• 1.4 课题所使用的软件
• 第二章 音频功率放大器的类型和主要参数
• 2.1 音频功率放大器的类型
• 2.1.1 A类（甲类）放大器
• 2.1.2 B类（乙类）放大器
• 2.1.3 AB类（甲乙类）放大器
• 2.1.4 C类（丙类）放大器
• 2.1.5 D类（丁类）放大器
• 2.2 各类功率放大器的特性比较
• 2.3 音频功放的技术指标
• 2.3.1 输出功率
• 2.3.2 频率特性
• 2.3.3 信噪比
• 2.3.4 转换速率
• 2.3.5 总谐波失真
• 第三章 AB类音频功率放大器的设计
• 3.1 音频功率放大器的结构
• 3.1.1 二级结构
• 3.1.2 三级结构
• 3.1.3 功放电路的特点
• 3.2 AB类音频功率放大器输入级的设计
• 3.2.1 放大器的输入级典型电路
• 3.2.1 放大器输入级的设计
• 3.3 AB类音频功放中间级的设计
• 3.3.1 电压放大级的典型电路
• 3.3.2 电压放大级的电路设计
• 3.4 AB类音频功放输出级的设计
• 3.4.1 输出级的典型电路
• 3.4.2 输出级的电路设计
• 3.5 AB类音频功率放大器的主体电路
• 第四章 音频功放的驱动偏置和保护电路
• 4.1 静音驱动电路设计
• 4.1.1 无短路功耗的静音驱动电路
• 4.1.2 静音驱动电路仿真结果
• 4.2 音频功放偏置电路的设计
• 4.2.1 偏置电路的电路图
• 4.2.2 偏置电路的仿真
• 4.3 音频功放的保护
• 4.3.1 过载保护
• 4.3.2 直流偏移保护
• 4.4 音频功放的整体电路
• 第五章 音频功放电路的仿真
• 5.1 总体仿真结果
• 5.1.1 工作频率范围
• 5.1.2 开环增益
• 5.1.3 静态电流
• 5.1.4 输出功率
• 5.1.5 瞬态分析
• 5.1.6 电源抑制比PSRR（Power Supply Rejection Ratio）分析
• 5.1.7 总谐波失真
• 第六章 音频功放的版图设计
• 6.1 版图的设计流程
• 6.1.1 布局原则
• 6.1.2 设计规则检查（DRC）
• 6.1.3 版图电路图比较（LVS）
• 6.1.4 后仿真
• 6.2 MOS器件和无源器件的版图设计
• 6.2.1 MOS器件的版图设计
• 6.2.2 无源器件的版图设计
• 6.3 版图设计结果
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢