ab类cmos音频功率放大器的设计

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1、目录致谢63作者在攻读硕士期间主要研究成果64{V{万方数据目录{VI{万方数据第一章概述第一章概述x1.1音频功率放大器的现状及发展趋势随着现代电子技术的不断发展，集成电路放大器广泛用于各类电子电路中[1]。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walk-man、CDPlayer、到如今流行的mp3播放器、笔记本电脑、便捷式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。音频功率放大器通常根据其工作状态分为四类：A类、AB类、B类和D类。其中前三类均可采用模拟音频

2、信号直接输入，放大后将此信号用以推动耳机发声。D类放大器比较特殊，它只有两种状态，不是通就是断。人们把此种具有“开关”方式的放大，称为“数字放大器”。低失真、大功率、高效率是功率放大器发展的趋势。D类功率放大器以高频开关的方式工作，而不是利用晶体管的线性部分放大，理论效率可达100%，实际的运用也可高达90%。它具有效率高、发热少、功耗低、电池使用寿命长等优点。近年来，国外许多公司对D类功率放大器进行了研究和开发，提出了一些方案。然而还是存在成本高、技术复杂等因素。如在手机应用中，由于D类的工作模式不同于AB类，会产生某些高频谐波。虽然这些谐波频率远远高于可听波频率，不能被人耳所听，但

3、可能会对手机RF部分或者天线部分产生干扰，降低手机的灵敏度，导致手机无法正常工作。这就是D类技术必须面对的一大挑战，随着手机小型化趋势对降低D类音频放大器的噪声带来了限制。因为封装尺寸的压缩使得音频设计高度集成化，导致了编解码器、电源管理和扬声器输出功能的混合信号集成，这种集成给噪声管理带来了困难。当D类音频放大器不断减小封装尺寸时，需要面对更加困难的噪声管理的挑战。目前，D类音频功放主要应用于便捷式设备系统中，充分发挥其节能的特点。随着技术不断的完善，电磁干扰问题的解决，价格下降及节能、省电的要求越来越高，传统的AB类技术的实际运用效率只有25%左右，能耗大，无法满足电池长时间续航的

4、需要。D类音频功放将逐渐代替AB类。虽然与AB类相比，D类具有很多优点，但如今，AB类仍然是使用普遍的技术，特别是在无多媒体功能的中低档手机中，AB类仍将被采用。因为AB类技术的音频性能好，THD+N低，PSRR的绝对数值高。此外，AB类的应用中没有噼啪声和咔嗒声，噪声很小，而且开启时间和关闭时间都很短，可以实现节能的方案。另外在小功率音频驱动中，比如对效率和功率要求不高的音频耳机功放，或者对失真率有较高要求的Hi-Fi耳机放大器，此时AB类功放的超低失真率就体现出了优势，在如今，耳机放大器的设计中AB类仍是主要的选择。x1.2低电压、低功耗CMOS电路设计的特点同传统的双极性工艺功率

5、放大器相比，CMOS输出级的负载驱动能力和频率特性{1{万方数据第一章概述是设计时主要考虑的课题。另外，对于便捷式产品来说，低电压、低功耗、体积小也是必须重点考虑的因素。金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOSFET）的概念来源于J.E.Lilienfeld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

6、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，噪声相当大，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

7、为广阔的应用前景[2]。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2:1[3]。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样对低功耗要求很高的产品中。进入21世纪，随着各种便携式移动通信和计算产品的普及，对电池的需求大大加强，但是电池技术发展相对落后，功耗已成为超