一種高品質(zhì)的音頻功率放大電路設(shè)計(jì)摘要音頻功率放大器與我們的生活休戚相關(guān)。因此設(shè)計(jì)一款優(yōu)點(diǎn)明顯、性能突出的功率放大器就顯得很有意義。本次論文首先對(duì)市面上已有的幾種功放類型進(jìn)行對(duì)比分析，最終因?yàn)锳B類功率放大器的交越失真較小，電源效率較高而最終選擇了AB類功率放大器。其次，對(duì)功放內(nèi)部的三種連接方式進(jìn)行對(duì)比分析，得出搭配橋接式的連接方式會(huì)使其具有優(yōu)秀的電學(xué)性能。接著進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，結(jié)合負(fù)反饋的內(nèi)容和電路基礎(chǔ)知識(shí)，設(shè)計(jì)出一種高品質(zhì)的音頻功率放大電路。通過調(diào)試參數(shù)不斷改進(jìn)電路。確保仿真電路能得到最佳的仿真波形。并通過性能指標(biāo)驗(yàn)證電路的可實(shí)現(xiàn)性。最終對(duì)正確的電路進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：AB類功率放大器；橋接式（BTL）；負(fù)反饋；仿真波形；版圖設(shè)計(jì)目錄摘要 11.緒論 51.1研究背景和意義 51.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 51.3主要研究?jī)?nèi)容 61.4章節(jié)安排 72.音頻功率放大器 82.1模擬功率放大器 82.1.1甲類音頻功率放大器 82.1.2乙類音頻功率放大器 92.1.3AB類音頻功率放大器 92.2D類音頻功率放大器 102.3音頻功率放大器的結(jié)構(gòu)種類 112.3.1單端模式的音頻功率放大電路 122.3.2全差分音頻功率放大器 122.3.3橋接式音頻功率放大器 143系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì) 163.1CMOS運(yùn)算放大器 163.1.1理想的運(yùn)算放大器 163.2負(fù)反饋 163.2.1負(fù)反饋的基本理論 163.2.2降低增益靈敏度 183.3放大器的基本結(jié)構(gòu) 193.4放大器的性能指標(biāo) 203.4.1放大器增益 203.4.2帶寬 203.4.3相位裕度 203.4.4共模抑制比（CMRR） 203.4.5電源電壓抑制比（PSRR） 213.5THD+N總諧波失真加噪聲 223.6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電性能指標(biāo) 224電路仿真 254.1運(yùn)算放大器特性測(cè)試 254.1.1運(yùn)算放大器開環(huán)交流仿真 254.1.2閉環(huán)增益交流特性曲線 264.1.3電源電壓抑制比 274.1.4共模抑制比 274.1.5輸出失調(diào)電壓 284.2整體功率放大電路仿真 294.2.1PAOUTPUT靜態(tài)功耗 294.2.2最大輸出功率 304.2.3電源電壓抑制比 304.2.4輸出失調(diào)電壓 314.2.5 THD+N總諧波失真加噪聲 324.3小結(jié) 335版圖設(shè)計(jì) 355.1一般注意事項(xiàng) 355.2放大器版圖設(shè)計(jì) 356總結(jié)與展望 396.1本文的工作總結(jié) 396.2本文工作展望 40參考文獻(xiàn) 41

1.緒論1.1研究背景和意義功率放大器技術(shù)在電子、數(shù)字信號(hào)傳輸中的應(yīng)用十分廣泛,已經(jīng)成了我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧．?dāng)今社會(huì)的人們也日益注重視覺和聽覺上的享受,對(duì)音頻功率放大器便提出了更高的技術(shù)要求。而提高系統(tǒng)的性能以實(shí)現(xiàn)更好的聲音效果,同時(shí)低廉的造價(jià)，是收獲消費(fèi)者青睞的重要因素。音頻功率放大器通常作為后級(jí)放大電路,被置在各種電子裝置中,其最基本的功能就是在接收到從前級(jí)傳來的功率放大信號(hào)后,對(duì)其進(jìn)行放大。使得該信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作,發(fā)出聲音。除此之外,音頻功率放大器也是音響等各種聲電設(shè)備里消耗能量的主要部分。對(duì)于我們?nèi)藖碚f,聽覺絕對(duì)是幾種感覺里最基本的一種。為了滿足人們的需求,音頻功率放大模塊就要不斷的加以改進(jìn)。將來也會(huì)有越來越多的音頻設(shè)備出現(xiàn)在我們的生活中。音頻技術(shù)的應(yīng)用不僅僅具有技術(shù)性,它還有藝術(shù)性的一面,并且與人的聽覺和心理也有一定關(guān)系。到目前為止,人們?cè)谡麄€(gè)自然界中進(jìn)行互動(dòng)和交往的主要途徑還是依賴于聽覺和視覺,因此音頻技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣闊。生活中，我們處處都可以看到它的影子，世界也因?yàn)樗兊酶泳省ｋm然音頻功放中的一些聲學(xué)和電學(xué)技術(shù)都比較成熟,但是許多新型的聲電技術(shù)仍然亟待大量的實(shí)驗(yàn)來完善。因此研究如何改進(jìn)電路進(jìn)而提高工作效率,就顯得很有意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前的電子器件市場(chǎng)，無論是核心電子器件或者是核心電路設(shè)計(jì)方面、核心生產(chǎn)技術(shù)以及大規(guī)模的生產(chǎn)等，仍處于由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體、意法半導(dǎo)體、美信半導(dǎo)體、德州儀器等少數(shù)起步早，實(shí)力強(qiáng)的國(guó)際電子生產(chǎn)大廠控制的階段。但是經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，隨著我國(guó)的綜合國(guó)力不斷提升，消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的發(fā)展十分迅猛，人們對(duì)于各種高性能的電子產(chǎn)品的需求也隨著信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展在不斷增長(zhǎng)。巨大的未飽和的終端消費(fèi)市場(chǎng)，刺激著更高品質(zhì)的音頻功率放大電路設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化和提升。和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大。隨著電子產(chǎn)品數(shù)量的不斷增多，其種類也越來越豐富。各個(gè)廠家的芯片在成本降低和電子綜合性能上的競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈。而且我國(guó)的IC設(shè)計(jì)水平實(shí)力也在不斷增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)設(shè)備和設(shè)計(jì)水平也不斷提高，推出了自主設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，逐漸有了和國(guó)際大牌廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品相提并論的資格。最重要的就是在保證效率的同時(shí)降低了失真程度。1.3主要研究?jī)?nèi)容本次論文主要是結(jié)合當(dāng)前已有的廠商的芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，然后結(jié)合電路基礎(chǔ)知識(shí)，設(shè)計(jì)出一種高品質(zhì)的音頻功率放大電路。要想實(shí)現(xiàn)本次工作，首要確定基本元件種類。在對(duì)比A類、B類、AB類和D類四種功率放大器之后，選擇AB類這種交越失真程度較小，放大效率也適用于工業(yè)生產(chǎn)的放大器類型。確定使用AB類功放之后，還得確定其整體電路結(jié)構(gòu)。電路結(jié)構(gòu)一般分為三種：?jiǎn)味耸剑⊿E）、橋接式（BTL）和全差分式。從輸出最大功率、共模抑制比、電源電壓抑制比以及總諧波失真加噪聲等參數(shù)的角度分析三種電路的電學(xué)特性。得出橋接式電路的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，在這些電路中有著非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，因此被現(xiàn)在各大電子廠商廣泛使用。在此之后，需要初步確定電路的連接方式。而運(yùn)算放大器功能的實(shí)現(xiàn)，離不開負(fù)反饋的連接。通過將適當(dāng)選擇的外部元件連接到運(yùn)算放大器的外部以形成閉環(huán)，即可構(gòu)成放大電路?？紤]到在實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)中，運(yùn)算放大器的負(fù)載會(huì)受到工藝影響，輸入輸出也不是理想情況，所以放大器一般采用套筒結(jié)構(gòu)，采用有源電流鏡作為負(fù)載，消除潛在影響。最后在實(shí)習(xí)公司的幫助下搭建本次設(shè)計(jì)所需的電路圖。調(diào)整參數(shù)改進(jìn)電路，得出設(shè)計(jì)的功率放大器的仿真波形和電性能指標(biāo)，驗(yàn)證電路的可實(shí)現(xiàn)性。最終完成本次設(shè)計(jì)并書寫論文1.4章節(jié)安排本文主要章節(jié)安排如下：第一章緒論，對(duì)音頻功率放大器的研究背景還有國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀等進(jìn)行分析。內(nèi)容是設(shè)計(jì)一款A(yù)B類音頻功率放大器，內(nèi)部采用橋接式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。是本次電路設(shè)計(jì)的良好選擇。第二章音頻功率放大器，主要介紹市場(chǎng)上最常見的幾種音頻功率放大器類型。本次設(shè)計(jì)通過AB類音頻功率放大電路進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。同時(shí)介紹了AB類音頻功率放大器的三種模式：?jiǎn)味耸健蚪邮?、全差分式。分析其?yōu)缺點(diǎn)，最終選用橋接式AB類音頻功率放大器。第三章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)，采用負(fù)反饋連接方式構(gòu)建運(yùn)算放大器，采用套筒結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)使用的運(yùn)算放大器電路圖。并為它預(yù)設(shè)電性能指標(biāo)。第四章電路仿真，在仿真了運(yùn)算放大器之后，對(duì)整體功率放大電路進(jìn)行仿真，得出仿真波形和電性能參數(shù)。第五章版圖設(shè)計(jì)，對(duì)功率放大器進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，得出版圖。并進(jìn)行版圖一致性檢測(cè)。第六章總結(jié)與展望，對(duì)本論文的內(nèi)容與工作進(jìn)行了一系列的總結(jié)。同時(shí)做出展望

2.音頻功率放大器本章介紹傳統(tǒng)意義上的音頻功率放大器，它的電路結(jié)構(gòu)在今天被各大電子設(shè)計(jì)廠商廣泛使用，通常直接用外部揚(yáng)聲器等電子設(shè)備相連接，而一般揚(yáng)聲器的負(fù)載大概在27歐姆。此類放大電路產(chǎn)品的共同特點(diǎn)是使用電池對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行供電，因此其靜態(tài)功耗，輸出失調(diào)電壓等電學(xué)特性參數(shù)是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)。另外，電源電壓抑制比，共模電壓抑制比，總諧波失真加噪聲（THD+N）等重要的電學(xué)性能指標(biāo)也是設(shè)計(jì)電路的關(guān)鍵。2.1模擬功率放大器根據(jù)現(xiàn)如今廣泛使用的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，音頻功率放大器劃分為三類：A類、B類和AB類，它們最大的差異在于靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇這個(gè)關(guān)鍵的地方。2.1.1甲類音頻功率放大器甲類音頻功率放大器，其靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在負(fù)載線的中點(diǎn)左右，這樣相比于其他種類，A類放大器的靜態(tài)工作電流最大，使得它的電源效率較低，理論值是50％。圖2-1甲類放大器示意圖圖2-2甲類放大器工作時(shí)間A類放大器的一般特點(diǎn)為：它在整個(gè)周期內(nèi)都是完全導(dǎo)通的。最重要的是它的靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置，按要求設(shè)置在靜態(tài)工作曲線的中點(diǎn)。并且放大器可以實(shí)現(xiàn)推挽式工作，也可以通過單管進(jìn)行正常的工作。因?yàn)槭窃谔匦郧€的線性度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)完成，這就造成了一定的信號(hào)失真，例如瞬態(tài)失真和交替失真。但是其優(yōu)點(diǎn)也十分明顯，那就是電路簡(jiǎn)單、調(diào)試方便。2.1.2乙類音頻功率放大器B類功率放大器的輸出端，取消了偏置，它的上下晶體管在信號(hào)的正半周期與負(fù)半周期內(nèi)工作。比A類功率放大器的性能提升了一個(gè)層次，由于其使用推挽式輸出，晶體管的功耗顯著降低，但是功率管上依然存在著靜態(tài)功率消耗這種浪費(fèi)電源利用率的情況。除此之外，由于交越失真程度較高，使得其只能運(yùn)用在個(gè)別地方。當(dāng)輸入為零信號(hào)輸入時(shí)，輸出端的能量消耗幾乎為零，因此其電源效率較高，其效率最大可達(dá)到78%。圖2-3B類放大器示意圖圖2-4B類放大器工作周期2.1.3AB類音頻功率放大器AB類功率放大器把上述兩類放大器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在了一起。它通過一個(gè)特殊的電路，實(shí)現(xiàn)了微導(dǎo)通的狀態(tài)，這種狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)需要讓MI和M2管的輸入信號(hào)為零，這樣就使得電路的一些缺點(diǎn)得以彌補(bǔ)。比如說，該電路的交越失真得到了改善。電源的靜態(tài)功耗比較小，電源效率介于A類和B類之間。圖2-5AB類放大器示意圖圖2-6AB類放大器周期AB類功率放大器是將二極管添加在B類功率放大電路的輸入端，插入管子個(gè)數(shù)為兩個(gè)，將零信號(hào)輸入時(shí)，這時(shí)的放大管恰好是處于微導(dǎo)通狀態(tài)，每個(gè)放大管的導(dǎo)通角都大于180°。上面我們已經(jīng)提到B類功放也不是最優(yōu)秀的，它最大的缺點(diǎn)就是存在一定的交越失真，然而這個(gè)缺點(diǎn)卻可以被AB類功放在輸入端加入管子而克服，因此AB類功放的效率非常滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，憑借較高的電源利用率和較低的傳輸失真，獲得了各大電子生產(chǎn)設(shè)計(jì)廠商的青睞，以及更高的市場(chǎng)認(rèn)可度。2.2D類音頻功率放大器這種類型的放大器主要是針對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制即PWM

(Pulse

Width

Modulation)控制技術(shù)，也是D類功率放大器的一般方式，它是由前后兩階電路構(gòu)成。前階電路負(fù)責(zé)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，它將其轉(zhuǎn)換成PWM波輸出，完成音頻的PWM調(diào)制；后級(jí)電路用來完成電平轉(zhuǎn)換和功率輸出，是功率轉(zhuǎn)換電路。信號(hào)Vin即進(jìn)入放大器后的傳輸信號(hào)，通過三角波發(fā)生器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，輸出Vm。當(dāng)前階電路輸出的電平被送入比較器進(jìn)行電平比較時(shí)，若Vin>Vm，比較器輸出高電平，若Vin<Vm，則比較器輸出低電平。這樣就把一個(gè)輸入信號(hào)的幅值轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘粋€(gè)輸出脈沖的帶寬，相當(dāng)于載波信號(hào)Vm是用輸入信號(hào)Vin去調(diào)制，從而形成輸出調(diào)制波Vd跟隨著輸入信號(hào)的幅度發(fā)生變化，即為PWM技術(shù)。放大器放大的音頻信號(hào)可以通過LC濾波器得到，再由音頻信號(hào)推動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生一個(gè)聲音后級(jí)低通濾波器中使用的電路設(shè)計(jì)為雙極型LC積分電路，也就是采用最簡(jiǎn)單的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，通過該電路就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM信號(hào)的解調(diào)，同時(shí)當(dāng)功率管處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)，功耗非常低，工作效率顯著提高，理論上可以達(dá)到90%以上的效率，理想的情況是100%。圖2-7D類音頻功率放大電路傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖D類音頻功率放大器的架構(gòu)一般比較復(fù)雜，通常其電路結(jié)構(gòu)的組成部分為:PWM解調(diào)模塊、功率放大模塊、低通濾波器。PWM信號(hào)控制功率放大開關(guān)管產(chǎn)生高低脈沖，實(shí)現(xiàn)功率放大。然后把得到的矩形波經(jīng)過LC濾波器，得到原始信號(hào)。D類音頻功率放大器的要求很高，尤其是它非常高的電源效率以及低散熱，使得它擁有著廣泛的市場(chǎng)，在可隨身移動(dòng)類的電子產(chǎn)品等便攜式設(shè)備中有著舉足輕重的地位。但是它需要考慮的因素也很多，比如電抗濾波，以及超高的開關(guān)頻率所產(chǎn)生的電磁輻射干擾等等，這些十分困難的問題給電子設(shè)計(jì)人員帶來了很大的挑戰(zhàn)。由于D類音頻功率放大器的種種限制，對(duì)于當(dāng)今市場(chǎng)而言，主要還是通過AB類音頻功率放大電路進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。2.3音頻功率放大器的結(jié)構(gòu)種類從電路設(shè)計(jì)來區(qū)分目前市場(chǎng)采用的AB類音頻功率放大器，一般是將其分為三類:單端(SE)式、橋接(BTL)式模式及全差分(Full-Differential)模式。2.3.1單端模式的音頻功率放大電路單音頻的功率放大器按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說是非常簡(jiǎn)單的，也是所有結(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的一種，僅僅通過隔直電容將其輸出端與揚(yáng)聲器連接在一起，而沒有其他的電路設(shè)計(jì)。圖2-8單端（SE）音頻功率放大器在典型單端輸出應(yīng)用中，單電源工作時(shí)，揚(yáng)聲器與放大器的連接，中間隔著一個(gè)電容，另一端接地，其最大輸出理論功率是通過下面的公式?jīng)Q定的:POMAX=VDD/22其中RLFC=12π×從公式中，我們可以看出，在電阻較小時(shí)，它的性能不佳，驅(qū)動(dòng)能力較低，這是該類音頻功率放大器的明顯缺點(diǎn)。另外，電源電壓抑制比較低，也是該類音頻功率放大器的另外一個(gè)典型的弱點(diǎn)。除此之外，電路中的隔直耦合電容使得單端式功放在開關(guān)過程中極易產(chǎn)生噪聲，影響人們的使用。2.3.2全差分音頻功率放大器全差分結(jié)構(gòu)是指雙端輸入雙端輸出，放大器包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)，一個(gè)是共模反饋結(jié)構(gòu)，另外一個(gè)是差分放大結(jié)構(gòu)。采用共模反饋結(jié)構(gòu)的原因是為了保證輸出端的電壓為穩(wěn)定狀態(tài)，無論輸入的共模電平是多少，輸出差分信號(hào)的變化都不大，電路相當(dāng)穩(wěn)定。能確保系統(tǒng)正常工作。圖2-9全差分音頻功率放大器由此，我們可以看出，在輸入相等的時(shí)候，差分放大器是單端輸出功率的四倍。同時(shí)，由于差分信號(hào)放大器具有較大的輸出范圍，可以極大地改善信噪比。此時(shí)最主要的噪聲源是由輸出電阻引起的熱噪聲。在單端輸出電路中。由此引起的噪聲強(qiáng)度為:VON?2(SE)=1+其中BW而在差分放大器中，差分輸出噪聲可以表達(dá)為:VON?2(DF)=21+這個(gè)是因?yàn)閮蓚€(gè)輸入電阻產(chǎn)生的在噪聲沒有直接的關(guān)系，最后在輸出端疊加造成的。從公式中我們可以看出，全差分放大器的輸出噪聲的強(qiáng)度比較高，可以達(dá)到單端放大器的兩倍左右，全差分放大器的輸出功率更是得到了大幅度的提高，是單端放大器的四倍之多。信噪比也達(dá)到了兩倍左右。該類放大器可以使非線性失真減少，當(dāng)然這種失真必須是偶數(shù)階的。如果有Vip=Va，Vin=Vb時(shí)，那么對(duì)應(yīng)的輸出應(yīng)為此時(shí)輸入電壓為：Vid=Va?此時(shí)輸出電壓為：Vod=Vx?Vy若將電路的輸入端的電壓進(jìn)行交換，由電路的對(duì)稱性，此時(shí)的輸出電壓要相互交換，也就是Vop=Vy，VonVid=Va-Vb=-(Va-VbVod=Vx-Vy=-(Vx-V這說明，輸入級(jí)的變化會(huì)造成輸出級(jí)的變化。因此其輸出-輸入特性函數(shù)f()應(yīng)該是奇函數(shù)。如果Vod=f(Vid),-Vod=f(-Vid)。則其傳遞特性的非線性系數(shù)為奇數(shù)階。同時(shí)輸出端產(chǎn)生非線性失真，這樣的失真階數(shù)從理論上講是奇數(shù)階的。在輸出端的輸出電壓Vop和V2.3.3橋接式音頻功率放大器橋接式音頻功率放大器是通過兩個(gè)相似的結(jié)構(gòu)組成的，也就是AB類放大器，驅(qū)動(dòng)負(fù)載接在放大器的輸出端。橋接式放大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.10所示。圖2-10傳統(tǒng)的橋接音頻功率放大器由此可得，橋接式放大電路的輸出功率同差分式結(jié)構(gòu)一樣，高達(dá)單端放大器的四倍，最大輸出功率如下:POMAX=2×VDD除了提升驅(qū)動(dòng)能力外，隔直電容也被它省去。另外該結(jié)構(gòu)在很多方面都優(yōu)于單端放大器。這種結(jié)構(gòu)的橋接式放大電路存在些不足之處，如果其單端輸入端有噪聲的出現(xiàn)，其輸出端也會(huì)有相應(yīng)的噪聲出現(xiàn)，甚至該噪聲通過放大器放大，因?yàn)榉糯笃鳑]有任何反饋接給輸入，那么便產(chǎn)生了射頻整流與射頻干擾。為了抑制噪聲，通常，我們采用另外一種橋接模式，這種結(jié)構(gòu)能很好的抑制噪聲，如圖2.11所示：圖2-11新型橋接式音頻功率放大器與單端式(SE)以及全差分結(jié)構(gòu)相比，橋接式(BTL)除了有以上的優(yōu)勢(shì)以外，它的共模抑制比也十分理想，且輸入信號(hào)共模輸入范圍較大，完全滿足工業(yè)要求，抗干擾能力很強(qiáng)，并且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。是現(xiàn)在被各大電子廠商廣泛采用的主流功率放大電路。通過以上的分析說明，我們可以得出橋接式(BTL)功率放大器的優(yōu)點(diǎn):(1)電源效率高；(2)非線性失真小和較小的Pop-Click噪聲；(3)高電源電壓抑制比，高共模抑制比；(4)輸出最大功率大；(5)非線性失真小；(6)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；基于以上優(yōu)點(diǎn)，橋接式(BTL)功率放大器得到了越來越廣泛的認(rèn)可和使用，目前更多地應(yīng)用于中高品質(zhì)的音頻設(shè)備中。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)根據(jù)前面的介紹，顯而易見運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)，是整個(gè)音頻功率放大電路的核心部分，因此，我們?cè)诒菊轮貙?duì)放大器結(jié)構(gòu)以及采用的反饋類型來做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，并進(jìn)行分析。3.1CMOS運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器是具有極高增益的功率放大器。如圖3.1是運(yùn)算放大器的符號(hào)。Vp和Vn表示同相輸入端接口和反相輸入端接口，圖3-1運(yùn)算放大器的符號(hào)圖3-2運(yùn)算放大器的等效電路3.1.1理想的運(yùn)算放大器理想情況下，運(yùn)算放大器的差模負(fù)載應(yīng)該為無窮，輸入電阻也應(yīng)該為零或者零負(fù)載。圖3.2為運(yùn)算放大器的等效電路。其中：VD=VP-VNAVVOUT=AVVD=AV（VP則由表達(dá)式可知，該放大器的等效電路，實(shí)際上等效為一個(gè)壓控電壓源。3.2負(fù)反饋3.2.1負(fù)反饋的基本理論負(fù)反饋工作原理是通過將選定好的外部元件直接連到一個(gè)運(yùn)算放大器的外部形成一個(gè)閉環(huán),構(gòu)建一個(gè)完整的可以進(jìn)行各種運(yùn)算操作的運(yùn)算放大器集成電路。運(yùn)算放大器的數(shù)學(xué)功能的實(shí)現(xiàn)都是通過負(fù)反饋的形式實(shí)現(xiàn)。反饋的系統(tǒng)組成為:前饋網(wǎng)絡(luò);檢測(cè)輸出的方式;反饋網(wǎng)絡(luò);產(chǎn)生反饋誤差的方式。圖3-3一般負(fù)反饋系統(tǒng)如圖3-3所示，其中沒有通過反饋系統(tǒng)以前的函數(shù)為H(S)，用G(S)表示反饋系統(tǒng)的計(jì)算函數(shù)，用求和器來產(chǎn)生反饋誤差信號(hào)。由圖3-3得：[X(S)-Y(S)G(S)]H(S)=Y(S)（3.3）整理后可以得到：Y(S)X(S)=H(S)1+G(S)H(S)在式中，H(S)通常被稱為采用環(huán)路開放模式的傳輸函數(shù)，Y(S)/X(S)被稱為環(huán)路關(guān)閉模式的傳輸函數(shù)。圖3-4負(fù)反饋的典型結(jié)構(gòu)從圖3-4中可以看出，負(fù)反饋系統(tǒng)的組成有：1.前饋網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算放大器的輸入端接收差分輸入信號(hào)XD，得到輸出信號(hào)，令輸出信號(hào)為XO，則XO=AVXD其中有低頻小信號(hào)增益的存在，我們?cè)谶@里用AV2.檢測(cè)輸出放大器的輸出信號(hào)連接到反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入。3.反饋網(wǎng)絡(luò)用信號(hào)β代替函數(shù)G(S),稱β為反饋系統(tǒng)的反饋函數(shù)，有：xF=βx（3.64.產(chǎn)生反饋誤差的方式將輸入信號(hào)接到運(yùn)算放大器的同相輸入端，輸出經(jīng)由反饋網(wǎng)絡(luò)接到反相輸入端。由此生成反饋形式的誤差信號(hào)，得到：xD=xI-xF根據(jù)閉環(huán)傳輸函數(shù)的定義A=xO/xA=AV1+AV當(dāng)一個(gè)輸入流經(jīng)放大電路和反饋系統(tǒng)的求和環(huán)路時(shí)，信號(hào)的增益為?βAT=βAV（3則有：A=1β×T1+T當(dāng)T→∞，得到：Aideal=1β（3理想狀態(tài)下，A決定增益，而與AV3.2.2降低增益靈敏度在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于運(yùn)算放大器的負(fù)載會(huì)受到工藝等各種因素的影響，需要分析運(yùn)算放大器的變化對(duì)閉環(huán)增益A的影響，進(jìn)行計(jì)算有：dAdAV=1整理得到：dAA=11+Td圖3-5計(jì)算環(huán)路增益這說明，增益AV的相應(yīng)變化會(huì)使得增益A也產(chǎn)生相應(yīng)的變化的1/(1+T)倍。由此可見開環(huán)增益在負(fù)反饋中的重要性開環(huán)增益一般采用如下的計(jì)算方法。如圖3-5，將輸入端歸零，在環(huán)路斷開后，加一個(gè)測(cè)試信號(hào)VTT=?VFVT3.3放大器的基本結(jié)構(gòu)在理想情況下，放大器的差分輸入，其增益從理論上來說是無限大的，其輸出電阻也無限大。但是，實(shí)際上卻并非如此，多數(shù)的開環(huán)增益大于等于兩千。在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中，放大器一般采用套簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，它是在簡(jiǎn)單的運(yùn)放基礎(chǔ)上，用共源共柵結(jié)構(gòu)替代單個(gè)MOS管。如圖3.6所示。圖3-6套筒式運(yùn)算放大器3.4放大器的性能指標(biāo)3.4.1放大器增益增益是運(yùn)算放大的一個(gè)十分重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，增益的含義其實(shí)就是放大器的放大倍數(shù)，通常稱其為輸出與輸入的比。3.4.2帶寬在這里說的帶寬，我們通常指的是小信號(hào)帶寬，同時(shí)它也是放大器的重要參數(shù)之一。1.放大器允許通過的信號(hào)，它的最大的頻率就是放大器的帶寬。2.放大器的輸出值隨著輸入信號(hào)頻率變化而變化，變化趨勢(shì)是隨信號(hào)頻率的降低而幅值升高。3.4.3相位裕度在放大器中，稱增益為0dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出相位與180°的差值為相位裕度(PM)。PM=180°?|Δ?|通常有一個(gè)開環(huán)相位延遲(相對(duì)于輸入)隨頻率的變化，增加180°以上，輸出信號(hào)(相對(duì)于輸入)為反相。PM大于零，但隨著頻率降低，在PM=0時(shí)反相，因此PM在高頻時(shí)小于零。在負(fù)反饋存在時(shí)，環(huán)路增益超過1的情況下PM頻率為零或負(fù)值時(shí)會(huì)使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此PM的值大于零是保證該電路正常工作(不振蕩)的基準(zhǔn)裕度。在放大器電路中如此，在不同負(fù)載條件下的有源濾波器中亦是如此。大多數(shù)情況下，PM由放大器反饋網(wǎng)絡(luò)來定義（通常在放大器輸入端打開），在處于閉環(huán)之前，通過嘗試輸入源的開環(huán)輸出方式來刪除它。在上述環(huán)路增益定義中，如果輸入為零，要在零輸入的情況下工作，反饋的輸出端需要接等效負(fù)載來保證頻率響應(yīng)。3.4.4共模抑制比（CMRR）CMRR實(shí)際上體現(xiàn)的是一個(gè)差分放大器處理共模信號(hào)的小波動(dòng)的能力。如圖3.7所示，該電路完全對(duì)稱，ISS是尾電流源。則M1與M2管從M3與M4管中抽取的電流分別為ISS/2，與VIN圖3-7理想運(yùn)算放大器的共模響應(yīng)盡管在現(xiàn)實(shí)生活中，其不可能做到完全對(duì)稱，而且電流源的等效阻抗也不是無窮大，所以，輸出端的輸出幅值會(huì)受到共模信號(hào)的影響。其共模增益為：ACM=VOUTV輸出小信號(hào)是VOUT，共模輸入小信號(hào)是Vin,cm。共模抑制比（CCMRR=AVACM3.4.5電源電壓抑制比（PSRR）在實(shí)際生產(chǎn)生活中，我們使用的電源并非是理想狀態(tài)，它也存在著各種各樣的噪聲，電源電壓抑制比的定義如下：PSRR=AVvdd=0Avdd=0和v圖3-8采用有源電流鏡作為負(fù)載3.5THD+N總諧波失真加噪聲在理想的情況下，音頻功率放大器的輸入波形與輸出波形應(yīng)該是一致的，但是在實(shí)際中由于電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或者其他的一些原因，使得電路不可避免的要產(chǎn)生噪聲或者其他形式的諧波。這樣就會(huì)導(dǎo)致二次或者三次諧波與輸入的信號(hào)混在一起，經(jīng)過放大就產(chǎn)生了差異，其中部分二次三次諧波信號(hào)經(jīng)過放大電路輸出，影響了電路性能，我們將其與實(shí)際輸入的比值稱為總諧波失真，而這個(gè)值越小越好，一般在1%以下較為合理。3.6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電性能指標(biāo)基于以上提出的運(yùn)算放大器和功率放大器的一般性指標(biāo)，本次論文設(shè)計(jì)了一種橋接式AB類運(yùn)算放大器。其電路圖如圖3-9所示。圖3-9本文所用的橋接式運(yùn)算放大器部分放大器設(shè)計(jì)為二階運(yùn)放，放大倍數(shù)相當(dāng)之高，可達(dá)十萬倍。并且采用了共模反饋結(jié)構(gòu)以及米勒補(bǔ)償。最終完成了核心的放大器部分。設(shè)計(jì)圖如圖3-10，圖3-11所示。圖3-10運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)圖3-11比較器設(shè)計(jì)圖除此之外，根據(jù)具體的電路系統(tǒng)應(yīng)用的需求，并參考市場(chǎng)上同類功率放大器電子產(chǎn)品的電學(xué)性能特征，設(shè)定了如下的電性能指標(biāo)：（1）電源電壓工作范圍：2.5V~5V；（2）輸出功率：VDD=5V，f=100K,RL=27Ω，P（3）THD+N：VDD=5V，f=100K,RL=27Ω，THD+N（4）輸出失調(diào)電壓：≤3Mv；（5）靜態(tài)工作電流：≤1mA；（6）電源電壓抑制比：≥-45dB；（7）共模抑制比：≥-90dB。

4.電路仿真本次設(shè)計(jì)仿真用的軟件是Cadence軟件，仿真模型采用0.5um的DPTMMixed

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工藝文件。經(jīng)過仿真得到了放大器的一系列性能和相關(guān)參數(shù)。4.1運(yùn)算放大器特性測(cè)試4.1.1運(yùn)算放大器開環(huán)交流仿真電源電壓5V，開環(huán)增益為110dB，帶寬為10MHz,相位裕度80度。如圖4.1所示。理想的運(yùn)算器放大倍數(shù)應(yīng)該是無窮大，但是當(dāng)我們接入電阻電容對(duì)其進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試的時(shí)候，引入了電阻效應(yīng)，就是非理想的情況產(chǎn)生，為了提高帶寬減少非線性失真，我們引入了負(fù)反饋。在這里該款放大器的開環(huán)增益達(dá)到了十萬倍，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，帶寬10MHz完全滿足了大多數(shù)輸入的模擬信號(hào)的頻率，特別是音頻信號(hào)，同時(shí)80度的相位裕度，表明該放大器的負(fù)反饋環(huán)路穩(wěn)定，相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間也較為合理。圖4-1運(yùn)算放大器的開環(huán)交流特性圖4.1.2閉環(huán)增益交流特性曲線閉環(huán)增益負(fù)載為270，電源電壓為5V。我們通過在整個(gè)放大器的外部接一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)測(cè)量其閉環(huán)增益，通常情況下，閉環(huán)增益值越小，電路系統(tǒng)越穩(wěn)定，另外，閉環(huán)增益還與噪聲增益在數(shù)值上相同，因此，閉環(huán)增益越小，該放大器的性能越好，此處閉環(huán)增益為1，因此滿足了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的效果，同時(shí)此處閉環(huán)測(cè)試的結(jié)果與前面開環(huán)測(cè)試可以得到相互的驗(yàn)證，都足以證明這種電路系統(tǒng)的電學(xué)性能。圖4-2閉環(huán)增益交流特性曲線4.1.3電源電壓抑制比圖4-3放大器的電源電壓抑制比結(jié)果電源電壓抑制比約為-47dB。電源電壓抑制比表示電源噪聲對(duì)于輸出電壓的影響，該值從理論上講是在輸入電壓與電壓源變化量為零時(shí)，輸出電壓比電壓大小的結(jié)果，因此，該值越大，電路對(duì)于電源噪聲的抵抗能力越強(qiáng)。此處的結(jié)果雖然較小，但是在實(shí)際的生產(chǎn)中，電源的噪聲值也非常小，對(duì)電路的影響較小，因此，電路滿足了實(shí)際上生產(chǎn)中的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。4.1.4共模抑制比共模抑制比約為70dB。共模抑制比說明了電路對(duì)于共模擾動(dòng)的抑制能力。放大電路的目的應(yīng)該是放大輸入電壓端的差模電壓，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中就采用了對(duì)稱的差分放大電路的設(shè)計(jì)方法，盡量使整個(gè)電路處于對(duì)稱的狀態(tài)，在最大程度上減小共模擾動(dòng)對(duì)于電路穩(wěn)定性的影響。圖4-4運(yùn)放的共模抑制比4.1.5輸出失調(diào)電壓輸出失調(diào)電壓為23mV。輸出失調(diào)電壓是在輸入端短接或者輸入端都接地時(shí)，輸出端的輸出電壓。輸出失調(diào)電壓代表著電路系統(tǒng)內(nèi)部的輸入級(jí)的失配程度，所以其結(jié)果應(yīng)該是越小越好，這里的輸入端均接2.5V,既保證能驅(qū)動(dòng)MOS管，同時(shí)差模電壓為零，得到的輸出失調(diào)電壓為23mV。滿足了設(shè)計(jì)要求。圖4-5運(yùn)放的輸出電壓4.2整體功率放大電路仿真4.2.1PAOUTPUT靜態(tài)功耗圖4-6PAOUTPUT的仿真電路可以得到電源電壓VDD=5V，負(fù)載為27Ω，輸入電流為188uA，則整體的靜態(tài)功耗約為0.1mW4.2.2最大輸出功率圖4-7最大輸出功率由圖可知，輸出最大功率約為110mV。輸出的最大功率是功率放大器的核心參數(shù)，它的大小決定著輸入的模擬信號(hào)能否有能力驅(qū)動(dòng)輸出端接的麥克風(fēng)，也同樣表示著這個(gè)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，在這里其輸出的最大功率為110mV，可以驅(qū)動(dòng)一般的揚(yáng)聲器產(chǎn)品。4.2.3電源電壓抑制比如圖，電源電壓抑制比約為-36dB。電源電壓抑制比是衡量電路穩(wěn)定性的參數(shù)之一，電源電壓抑制比越大越好，測(cè)量方法與上面的放大器的電源電壓抑制比的測(cè)量方法相同。圖4-8電源電壓抑制比4.2.4輸出失調(diào)電壓電源電壓5V，負(fù)載的電阻為21Ω，差分輸入電壓相同均為2.5V，得到的失調(diào)電壓約為3mV。這里的輸出失調(diào)電壓，并非是在輸出電壓均接地的情況下測(cè)量，而是在輸入電壓均為2.5V時(shí)測(cè)量，這是因?yàn)榇颂幧婕暗搅薓OS管的靜態(tài)工作電壓，提供的輸入電壓需要能夠驅(qū)動(dòng)MOS管使得其正常工作。輸出電壓為3mV，滿足要求。圖4-9輸出失調(diào)電壓4.2.5 THD+N總諧波失真加噪聲圖4-10輸入輸出波形加載的基準(zhǔn)電壓為2.5V，交流電壓1V,然后對(duì)輸出波形進(jìn)行總諧波失真加噪聲分析。圖4-11對(duì)輸出進(jìn)行THD+N分析由上圖可以得出THD+N為0.97%，小于等于1%，符合設(shè)計(jì)及要求。對(duì)于功率放大器來說，其放大性能在于保證輸入電壓經(jīng)過放大器不改變時(shí)，輸出的電流非常大。故輸入輸出的信號(hào)波形應(yīng)該相同，改變的只是信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，總諧波失真加噪聲越小，代表著音頻功率放大器的品質(zhì)越好，輸出電壓對(duì)于輸入電壓的還原度較高，本次設(shè)計(jì)實(shí)際檢測(cè)的THD+N很好的抑制了噪聲，還原了輸入信號(hào)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。4.3小結(jié)以上給出了完整的放大電路和功率放大電路的參數(shù)測(cè)量分析?？偨Y(jié)如下：1.差分放大器測(cè)量指標(biāo)（1）開環(huán)增益：110dB；（2）帶寬：10MHz；（3）相位裕度：80°；（4）閉環(huán)增益：1dB