AB类折叠共源共栅音频放大器设计.pdf

上海交通大学硕士学位论文AB类折叠共源共栅音频放大器设计姓名：陈泽强申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：周健军20080215上海交通大学专业学位硕士学位论文 AB 类折叠共源共栅音频放大器设计 摘 要 本次毕业设计主要是设计一个总谐波失真较低的 AB 类共源共栅 CMOS 音频功率放大器首先从电路的基本结构着手，根据设计指标确定符合要求的折叠式共源共栅电路结构，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，运算放大器单位增益带宽达到 48.5 MHz，静态电流为 1.3 mA，在 8负载的情况下最大输出电流可以达到 250mA放大器低频开环增益为 102 dB，相位裕度高达 54，PSRR 为 104 dB，显示出优良的闭环稳定性和抗电源噪声干扰能力在此基础上，将两个一模一样的运算放大器采用桥接式连接，构成音频功率放大器这种接法使得输出端去掉了耦合电容，降低了输出级峰值电流的大小，提高了输出摆幅和输出功率最后，推导音频功率放大器最关心的两个参数：总谐波失真、噪声失真，并利用理论依据对音频功率放大器进行优化仿真结果显示，在输出功耗为 1w 或是输入信号频率为 1kHz 时， 总谐波失真功率占总功率的比值在 0.1附近；PSRR 为 57.4-117dB。

关键词：音频功率放大器、折叠式共源共栅结构、桥接结构、总谐波失真、噪声失真 上海交通大学专业学位硕士学位论文 DESIGN OF CLASS AB FOLDED-CASCODE AUDIO POWER AMPLIFIER ABSTRACT The thesis is about a class AB audio amplifier design with low THD and folded cascode structure. Firstly, according to the spec and the circuit structure, we decided to use the folded cascode structure and designed the component parameter. Then, we use HSpice to do the simulation. The results showed that the unity gain bandwidth of the single op-amp was 48.5MHz while the quiescent current was 1.3mA. at the condition of 8 ohm load, the peak output current can achieve 250mA. The dc gain of this op-amp was 102dB, the phase margin was 54 degree and the PSRR was 104dB. Then, I use two of this op-amp to connect together with the BTL structure. Using this method can eliminate the coupling capacitor, lower the output stage peak current, and raise the output swing and power. Finally, the optimization work is done by calculating the two most important paramters THD and PSRR . The results about the whole audio power amplifier showed that the THD were about 0.1%; the PSRR were 57.4 to 117dB either when the output power was 1w or when the frequency of input signal was 1kHz,. KEY WORDS: Audio Power Amplifier, Folded cascode, BTL for what, Total Harmonic Distortion (THD), Low Noise Figure 上海交通大学专业学位硕士学位论文 图片目录 图 1 A 类功率放大器输入输出对比图.2 图 2 B 类功率放大器输入输出对比图 .4 图 3 AB 类功率放大器输入输出对比图 .5 图 4 D 类功率放大器结构图.6 图 5 音频功率放大器的结构图.9 图 6 简单的推挽式结构. 11 图 7 补偿型源极跟随器 CMOS 输出级.12 图 8 浮动栅极电压的 AB 类输出级 .13 图 9 峰值时输出级电流走向示意图.14 图 10 采用折叠式共源共栅结构的差分输入级.18 图 11 运算放大器的偏置电路.20 图 12 最初的运算放大器结构.21 图 13 直接跨接米勒电容的运算放大器结构.22 图 14 cascode 跨接米勒电容的运算放大器结构 .23 图 15 改进的运算放大器结构.24 图 16 open-loop gain 的测试电路结构.25 图 17 PSRR 的测试电路结构.26 图 18 单个运算放大器的反馈测试电路.26 图 19 开环情况下的 bode 图和 PM 图 .27 图 20 运算放大器 PSRR 的 bode plot.28 图 21 单个运算放大器接反馈后的小信号增益图.29 图 22 单个运算放大器接反馈后的瞬态响应.30 图 23 2D DV的实现.32 图 24 AB 类输出级简单示意图.34 图 25 Vo1 和 Vo2 的瞬态响应波形 .36 图 26 Vout 的瞬态响应波形.37 图 27 音频功率放大器 PSRR 的 bode plot.38 上海交通大学专业学位硕士学位论文 图 28 THD vs Frequency . 40 图 29 THD vs Power. 41 图 30 输出级版图设计.43 上海交通大学工程硕士学位论文 1上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：陈泽强 日期： 2008 年 2 月 18 日 上海交通大学工程硕士学位论文 2 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本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和汇编本学位论文 保密保密，在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 不保密 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：陈泽强 指导教师签名：周健军 日期： 2008 年 2 月 18 日 日期： 2008 年 2 月 18 日上海交通大学专业学位硕士学位论文 1 1 概述 1.1 引言 集成电路放大器广泛用于各类电子电路中，其中音频功率放大器是消费类电子产品中应用最广泛的组件之一，从上个世纪问世的 walkman、CD Player、到如今流行的 Mp3 播放器、笔记本电脑、便携式 DVD 播放器，几乎所有与声频、视频相联系的电子产品，都要用到它。

作为电子产品与人的听觉相联系的纽带，音频功率放大器起着不可替代的作用 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的概念来源于 Lilienfeld J. E.于 1930 年申请的专利这早于双极型晶体管的发明然而由于制造技术的限制，MOS 技术走向实用的时间比较晚， 在 20 世纪 60 年代初期， 早期的几代产品是 N 型的20 世纪 60 年代中期发明的互补 MOS（CMOS）器件，引起了半导体工业的一场技术革命CMOS 技术很快占领了数字市场：CMOS 门只在开关期间消耗功率以及只需很少的元件 这也是它与相应的双极型或 GaAs 电路相比所具有的两个显著特点此外，人们很快发现，与其它类型的晶体管相比，MOS 器件的尺寸很容易按比例缩小而且，CMOS 电路被证明具有比较低的制造成本紧接着的一个明显进步是将 CMOS 技术应用于模拟电路设计较低的制造成本和在同一芯片上同时包含模拟和数字电路以改善整体性能和降低封装成本使 CMOS 技术更具有吸引力但是，当时的 MOSFET 与双极型晶体管相比，它的缺点是速度慢，噪声比双极型集成电路大，这使其应用受到限制 随着 CMOS 工艺技术的不断突破，特别是在高速应用领域的突飞猛进，科学家们发现，互补金属氧化物半导体（CMOS）以其低功耗、高集成度和设计简便等总多优良特性而拥有更为广阔的应用前景1。

因此，上个世纪 90 年代，CMOS 元件在所有 MOS 元件的销售中已经占到 90以上的份额，而 MOS 元件与双极型元件的销售比例则达到了 2:12 过去，由于极度复杂的制作工艺和高昂的加工成本，使得采用 CMOS 和 BiCMOS 技术的低功耗电路仅仅局限在电子表、 袖珍计算器以及某些集成传感器这上海交通大学专业学位硕士学位论文 2 样对低功耗要求很高的产品中然而进入 21 世纪，低功耗设计已经成为所有高性能电子产品所必须遵循的规范，特别是在便携式电子产品问世以后，功耗指标已经成为影响设计的最为重要的一个因素3，可以这样说，功耗较高的电子产品在市场中没有生命力，同时功耗越低，其产品在市场中越能占据有利位置 虽然电池技术在过去几年中取得了长足的进步，就目前的情况来看，电池的容量基本上还是和电池体积成正比，所以对于体积较小，无法携带大体积、大容量电池的便携式产品来说，降低其电路功耗是唯一可行的办法，正因为如此，以低功耗著称的 CMOS 集成电路技术才能够迅速脱颖而出，成为当今数字、模拟、数模混合集成电路制造的主流技术 1.2 CMOS 音频放大器分类及其设计方法 1.2.1 A 类功率放大器 在电压放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，这种工作方式通常称为 A 类放大，也有中文书籍称之为甲类放大。

A 类功率放大器的典型工作状态如图 1 所示： 图 1 A 类功率放大器输入输出对比图 A 类功率放大器的最大优点在于较好的线性度，由于较小的非线性失真，使得在外部提供电源，并且对音质要求很高的应用场合，常常使用 A 类功率放大器 上海交通大学专业学位硕士学位论文 3 从图中可以看出，工作在 A 类放大状态的功率放大器，电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时，这些功率全部消耗在电路器件上，并将转换为热量的形式耗散出去，当有信号输入时，其中一部分转换为有用的输出功率，信号越大，输送给负载的功率越多 但是， 在理想情况下， A 类放大电路的效率最高只能达到 504 1.2.2 B 类功率放大器 A 类功率放大器的主要缺点在于,即使没有交流输入, 电路中仍然存在一定的静态电流，此静态电流是造成管耗的主要因素在许多的功率放大器的应用中，这一类型的电路会由于没有输入信号输入或是只有间断的音频输入而处于长时间的等待状态在这种状态下，散失的功率被浪费，这是一个重要问题首先，对于由电池驱动的器件，应当尽量节省能量以延长电池寿命其次，电路中浪费的所有功率全都散失在器件当中了，而这会使得他们的工作温度升高，从而增加器件损失的可能。

此外，器件中散失的功率将会影响器件。