立体声增强功能音频功放芯片的设计与试制

摘要

本文设计了一个音频功率放大器芯片，主要应用于小体积便携式电子产品，对此本芯片主要有以下三个特点：首先设计了低功耗关断模式和开关噪声抑制电路；具有高线性和高保真度的AB类放大器；另外，在系统中还设计了3D立体声增强功能。 低功耗模式有效时，系统所有模块均被关断，只有一些逻辑控制电路在工作，因功耗很小。系统中的电源旁路电路，在系统开启和关断时能够延缓信号传输，当系统稳定后才有信号输出，故抑制了“咔嚓”声；便携式产品体积有限，立体声的两个扬声器不可能相距足够远，因而音效往往很差，本文在深入分析了立体声原理、声音串扰及解决方法之后，设计了一种电路结构，此结构基于音频放大系统并集成于音频放大系统之内，能够增强3D立体声的声场。另外，文中还优化设计了运算放大器、电流源、过温保护等模拟电路，使之性能更好、功耗更小。 本芯的整个设计流程都是在cadence工具下完成，在模块电路设计中，仿真与设计循环进行，并最终确定了系统的电路。对芯片系统进行整体仿真，模拟其功能和性能参数，都在可接受的范围之内。本论文还细致地设计了系统的版图，尤其是运算放大器和功率器件等决定芯片性能的关键模块。电路和版图的设计都采用0.5μm N阱CMOS工艺的器件模型和设计规则，并最终流片。封装为QFN24，具有面积小、散热性能好的特点。 对芯片进行详细测试的结果表明，过温关断、3D立体声增强、单双端模式及低功耗关断模式功能正常。关断模式下功耗几乎为零，而芯片最大静态功耗20mW，在5V电源电压、4Ω负载、频率为1KHz及1W输出功率时的THD+N为0.2％。各项性能指标均达到了设计的预期值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1模拟集成电路设计方法

1.1.1集成电路的发展

1.1.2模拟集成电路

1.1.3模拟集成电路设计方法

1.2音频功放的概念及分类

1.2.1音频功放的发展

1.2.2集成音频功放的分类

1.3音频功放的研究现状

1.4本文的研究重点和内容安排

第2章音频功放芯片系统构架及电路设计

2.1芯片整体构架

2.1.1芯片整体设想

2.1.2管脚定义及系统框图

2.1.3预期性能指标

2.2基准电流源

2.2.1与绝对温度成正比的电压

2.2.2与绝对温度成正比的电流源

2.2.3电路性能仿真

2.3过温保护电路

2.3.1电路结构设计

2.3.2电路性能仿真

2.4运算放大器设计

2.4.1运放电路结构设计

2.4.2运放电路性能仿真

2.5旁路电压电路模块

2.5.1旁路电压电路设计

2.5.2旁路电压电路模拟结果

2.6数字控制电路

2.7 ESD保护电路

2.7.1 ESD保护设计技术

2.7.2实际的ESD保护电路

2.8小结

第3章立体声声场增强的原理与设计

3.1扬声器的立体声原理

3.1.1人耳对场源方位的判断

3.1.2扬声器立体声系统

3.2体声声场增强的原理与结构

3.2.1近距离扬声器的声场增强原理

3.2.2体声增强的系统结构设计

3.3小结

第4章整体电路仿真及版图设计

4.1整体电路的仿真结果

4.1.1系统控制端功能仿真

4.1.2频率和温度特性

4.1.3电源电压抑制比与THD+N仿真

4.1.4系统静态功耗仿真

4.2版图设计

4.2.1设计考虑因素及整体布局

4.2.2电流源及过温保护版图设计

4.2.3运算放大器版图设计

4.2.4电压旁路及数字控制模块版图

4.2.5 PAD、ESD及3D控制模块版图

4.2.6功率MOS管的版图设计

4.2.7芯片整体版图设计及其验证

4.3小结

第5章制造、封装及测试

5.1芯片制造

5.2芯片封装

5.3测试结果

5.3.1测试环境及设备

5.3.2测试方案及结果

5.4小结

结论

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间发表的论文