基于BCD工艺的10W数字音频后级H桥功率放大芯片研制

分类号密级UDC注1学位论文基于BCD工艺的10W数字音频后级H桥功率放大芯片研制（题名和副题名）汪洲（作者姓名）指导教师姓名李平教授博导电子科技大学成都（职务、职称、学位、单位名称及地址）申请学位级别硕士专业名称微电子学与固体电子学论文提交日期2007.5论文答辩日期2007.5学位授予单位和日期电子科技大学答辩委员会主席评阅人2007年5月日注1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0.35μmBCD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PWM（PulseWidthModulation，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（ProportionalToAbsoluteTemperature）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：H桥，功率输出，过流保护，PWM，数字音频功放ABSTRACTIIABSTRACTWiththewidelyuseofCD,MP3,DVD,cellphoneandHDTV,digitalaudiopoweramplifier(DAPA)prevailsinaudioamplifierfieldforitshighefficiency,lowdistortion,lowcostandportability.Digitalamplifierpowerstage（DAPS）whichdirectlyrelatestotheseadvantagesplaysanimportantroleinthewholeDAPAsystem.BasedonanalysisandexperimentsofmainstreamDAPAandDAPS,a10WH-bridgepoweramplifiercircuitisdesignedwithTSMC0.35μmBCDtechnology.AmplifyingPWM(PulseWidthModulation)signal,thechipiscompatiblewith4,6,8speakerloads.ItcanprovidethemaximumRMS(RootMeaningSquare)powerof10W(with4load)andthemaximumefficiencyof93%(with8load)withover-currentandover-temperatureprotections.Asimpleandpracticalover-currentprotectioncircuitwithself-holdisdesigned,whichsaveschipsizebyreplacingthevoltagereferencethatnormallyusedinthetraditionalover-currentcircuitwithacurrentreference.Themaincontentsofthispaperareasfollows.(1)ThestructureoftheDAPAsystemisillustrated,aswellasthegenerationmechanismandcontrolmodeofthePWMsignal,twokindsofDAPS,theLPFandthemodelofthespeaker.(2)UsingthedigitalaudioprocessorchipdesignedinVLSI,anexperimentoffullbridgepoweramplifierandtwoexperimentsofH_bridgepoweramplifieraredone.NecessaryanalysisonresultsiscarriedoutfortheintegrationoftheprocessorandtheamplifierinDAPA,meanwhilesomemodificationsofthedigitalaudioprocessorhavebeendone.(3)Basedonsystematicanalysisandexperiments,specificationsforthiscircuitareassigned.Accordingtotheserequirements,thearchitectureofH_bridgepoweramplifieranditssub-blocksaredesigned.Sub-blockscompriseH-bridgeamplifier,DMOSdriver,bootstrapcircuit,levelshiftingcircuit，deadtimegenerator,PTAT(ProportionalToAbsoluteTemperature)currentreferencewithUVLO，over-currentprotectioncircuitandover-temperatureprotectioncircuit.ABSTRACTIII(4)UsingthelibraryprovidedbyTSMC,simulationsofallthesub-circuitsandthewholecircuitaredonebyeitherCadenceSpectreorSynopsysHspice.Theresultsarecalculatedandanalyzed.Aconclusionisdrawn,whichshowsthatthewholecircuitfulfillsalltheperformancerequirementsdefinedbysystem.(5)LayoutofthecircuitisdesignedwithVirtuoso(Cadence),andthenDRC,ERC&LVSarevalidatedwithCalibre(Mentor).(6)Thetestingplanisprogrammedforthechiptestaftertapingout.Keywords:H-bridge,poweroutputstage,over-currentprotection,PWM,digitalaudiopoweramplifier目录IV目录第一章引言....................................................................................................................11.1数字音频功放及开关功率放大器的现状.......................................................11.2数字音频功放及开关功率放大器的发展动态...............................................51.3本文主要内容及安排.......................................................................................6第二章数字音频功放系统............................................................................................82.1数字音频功放系统结构...................................................................................82.2PWM信号分析.................................................................................................82.3两种桥式开关功率放大器分析......................................................................112.4低通滤波器及扬声器模型.............................................................................13第三章H桥功率放大器实验及总体电路设计..........................................................163.1数字音频处理芯片测试.................................................................................163.2全桥功率放大器实验.....................................................................................183.3H桥功率放大器实验一.................................................................................203.4H桥功率放大器实验二....