低功耗D类音频功放子系统设计

论文摘要

本文设计了一款低功耗D类音频子系统,该设计主要应用于便携式音频设备中,主要有以下几个特点:首先加入了兼容I2C总线的接口电路,使得芯片可以受CPU或者MCU的控制;其次,采用了新一代的PWM调制技术;最后,简化了电路结构,拥有比较小的芯片面积。相对于传统的AB类功放而言,D类音频功放具有比较高的效率,因此在逐渐普及的便携式音频设备中,采用D类功放可以很大程度地延长电池使用时间;另外由于其高效率,芯片发热量比较小,在封装时可以采用面积比较小的封装方案,这也有助于便携式系统的小型化。目前国内对D类功放的研究还比较薄弱,对其进行的研究有助于本土D类音频功放的普及。本文通过对D类音频功放的结构以及影响D类效率的因素进行分析之后,设计了一个电路结构。该电路结构采用全差分形式,积分器对差分信号进行积分,有效减低了功率管开关所导致的噪声以及RF干扰,同时也取消了用于稳定参考电压的BYPASS电容;另外设计了内置的三角波发生电路,取消了锁相环电路以及外置电容;使用新一代的无输出滤波调制技术节约了输出的低通滤波器,极大地减小了在PCB板上的应用面积。该项目利用Cadence Spectre进行电路仿真,Cadence Virtuoso进行版图设计。仿真结果显示各模块指标均能达到设计要求,该电路可以在2.5V～5.5V电源电压范围内正常工作,在5V电源电压下,带4Ω负载最高可以达到2.5W的输出功率,并且拥有比较高的效率,带8Ω负载,输出功率为1.75W时,效率可达75.1%,正常工作情况下,静态电流3mA,关断电流小于0.5μA,具有比较低的静态功耗;芯片采用上华CSMC 0.5μm三铝双多晶DPTM混合信号标准CMOS工艺制作,采用4×4mm2TSSOP-16封装,现已流片成功,测试表明,该芯片性能良好,各项指标均达到了预期值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 D 类音频功放概况
• 1.1.1 音频功放的分类
• 1.1.2 不同功率的D 类音频功放的应用
• 1.1.3 D 类音频功放的市场前景
• 1.2 设计要求、趋势以及挑战
• 1.2.1 降低EMI
• 1.2.2 改善音频质量
• 1.2.3 降低系统成本
• 1.2.4 电源反馈
• 1.3 论文工作的意义及主要内容
• 第2章 系统设计与分析
• 2.1 PWM 调制的介绍
• 2.1.1 传统PWM 调制
• 2.1.2 新一代的PWM 调制
• 2.2 D 类音频功放的系统设计
• 2.2.1 D 类音频功放的结构
• 2.2.2 基于PWM 调制的系统反馈建模分析
• 2.3 低功耗的考虑
• 2.4 小结
• 第3章 D 类音频子系统的设计
• 3.1 整体设计
• 3.1.1 芯片引脚及功能定义
• 3.1.2 整体设计指标
• 3.2 I2C 接口电路设计与分析
• 3.2.1 I2C 接口协议介绍
• 3.2.2 电路设计与分析
• 3.3 基准源电路设计与分析
• 3.3.1 设计目标
• 3.3.2 PTAT 电流源的设计与分析
• 3.3.3 带隙基准源的设计
• 3.4 输入以及积分器运放的设计与分析
• 3.4.1 设计目标
• 3.4.2 电路设计
• 3.4.3 仿真验证
• 3.4.4 对输入运放增益的控制
• 3.5 比较器设计
• 3.5.1 设计目标
• 3.5.2 电路设计
• 3.5.3 仿真验证
• 3.6 其他模块电路设计
• 3.6.1 功率管栅极驱动电路设计
• 3.6.2 三角波发生电路
• 3.7 整体仿真
• 3.8 小结
• 第4章 版图设计
• 4.1 工艺概述
• 4.2 版图设计
• 4.2.1 版图设计技术
• 4.2.2 静电放电（ESD）保护设计
• 4.2.3 本课题版图设计
• 4.2.4 版图验证
• 4.3 小结
• 第5章 芯片测试
• 5.1 封装
• 5.2 测试方案
• 5.3 测试结果与分析
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录