一种用于d类音频功放的低功耗轨至轨比较器的设计
摘 要随着电子技术的不断发展，各类便携式的电子设备应运而生。然而，这些电子设备都需要一个音频放大器来输出，又因为D类功率放大器失真小并且效率高，所以它经常在音频信号的处理过程中被用到。D类功率放大器在理想情况下，效率能够实现百分之百，在实际应用中，它也已经能够到达百分之八十甚至超过。鉴于D类功率放大器高效率，低功耗，轨至轨比较的要求，所以，本篇论文具体描述了一种用于D类音频功放的低功耗轨至轨比较器的设计，然后得出它的仿真结果来进行验证。在设计过程中，本设计的输入共模的范围与输出的摆幅均为0-3.3V。这种比较器是采用TSMC 0.35微米的CMOS工艺标准，在时钟频率为20MHZ的前提下对照了它的最小分辨率，其中最小分辨率是5mV。同时规定比较器的传输延时不得大于20ns，要求它的功率耗散也要低于1000μw。之后再用cadence软件对其进行仿真，观察并分析结果。仿真结果表明：在共模输入范围是0-3.3V的电压下，该比较器轨至轨比较的功能能够实现，延时与功耗也均达到了预期目标。我相信在不久的未来D类音频功放的轨至轨比较器会有更优良的性能。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文研究的内容 3
1.4 本文的结构安排及任务 3
1.5小结 4
第二章 比较器电路的基本类型 5
2.1比较器基本参数 5
2.1.1比较器的相关参数 6
2.2关于比较器的特性 6
2.2.1静态特性 6
2.2.2动态特性 7
2.3比较器的基本类型 7
2.3.1离散时间比较器 7
2.3.2开环比较器 8
2.3.3差分对动态比较器 9
2.4小结 10
第三章 低功耗轨至轨比较器设计 11
3.1前置输入级电路 11
3.1.1电流源作为负载的放大器 11
3.1.2二极管作为负载的放大器 11
3.1.3如何实现前置输入级电路 12
3.2中间放大级电路 16
3.3输出缓冲级
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
电路的设计 18
3.4偏置电路的设计 20
3.5小结 22
第四章 仿真结果 23
4.1功能性仿真 23
4.2延时性仿真 28
4.3功率耗散性仿真 30
4.4温度和工艺角的仿真验证 32
4.5 小结 36
结束语 37
致 谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
常用的甲类、乙类或甲乙类的音频放大器是模拟放大器，可以对模拟信号直接进行放大，而D类（丙类）放大器是一种数字音频功率放大器，能够将模拟音频信号转变成脉冲信号。尽管甲乙 类的音频放大器的失真度比较小，可它的功耗依然很大，通常转换效率也低于50%，这已然不符合21世纪绿色环保节能的主题。虽然可以采取一些方法对甲类及乙 类的音频放大器可以进行修补（如推挽输出等方法），然而当遇到比较大的功率时，这些方法依然对功率器件造成了胁制，由于功率输出受到了制约，因此致使它们在理想情况下是78.5%的效率，但是在实际中却仅有30%~40%的效率。这就造成了能源的极大浪费，与此同时为了能够使其快速散热就必须增大芯片的面积，甚至要加上散热片，这就意味着不仅占空间而且又提高了生产成本。而今,，低功耗高效率的音频放大器变得越来越流行。尤其是D类音频的功率放大器已然着手在迷你”家庭音响、手机、汽车音频，笔记本电脑音频系统和MP4等便携式的电子设备中得到广泛的应用。D类音频功率放大器与传统的甲 类，乙类及甲乙类的音频功率放大器相比，它最大的优势是在于具有非常高的效率，其工作在开关状态的特性，所以其理想情况下可以达到100%，在实际中也可达到80%以上，这样可以减少芯片和印刷电路板的占用，也大大降低了功耗。因此，作为电子行业一流的音频功率放大器，D类功率放大器在今天的寻求低功耗，小体积，高效率的趋势下具有非常广阔的发展远景。
输入信号的的正弦波与三角波是借助比较器来实行对比，然后使PWM波得以输出，PWM波又称脉宽调制信号。图11所示是它所产生的原理。如果把PWM波中放大以后形成的低频分量净化出去，那么比较器获取的音频信号就是放大后的。由于晶体管在彻底被导通时，它的电流较高然则电压却小，情况相反，当在截止时，晶体管的电压较大，可是其电流却非常小，这个电流也只是它的漏电流罢了。并且当晶体管的音频信号处于不存在的情形下，截止的工作状态让晶体管的效率获得提升。
图11 PWM 波产生原理图
1.2国内外研究现状
关于D类音频功率放大器的发展进程已有50多年，由于D类功放音质好，高效率，低功耗的特点已经成为国内音频市场的主流产品。所以国内最近几年也有许多家公司走进了该领域，在D类功放芯片的研发上都投入大量资金。国外许多大公司在D类音频功放的研究上仍占主导地位，像美国德州仪器公司推出了面相电视，手机，汽车等应用的一系列的D类音频产品。另外，恩智浦、意法半导体也都持有各自优势的高品质产品。
在学术方面，文献[5]中的芯片使用了脉宽调制技术，它所具有的双端输入和全桥式输出的结构，使输出效率得到有效的提高并减少了谐波的失真。该设计选取了无需滤波的结构，不仅减少了芯片的面积还节约了成本，同时效率也高达97%。文献[6]介绍一种在低压工作的条件下轨到轨输入或输出的缓冲级类放大器。共模输入电压的转移是通过电阻所形成的，当在小于一般的轨到轨输入级所限定的最小电压时，该放大器仍然能够工作,且恒定的输入跨导被获取是在整个输入共模电压范围内;由电流镜来驱动它的输出级,以此，完成了轨到轨电压的输出,并具有极强的负载驱动能力。
文献[10]则提出了一种新型的超低功耗的轨到轨比较器，它可以适当地用于低到中等速度的数模转换器。该比较器选用一个前置放大器，然后经过一个动态锁存结构实现快速决策，高清晰度和减少踢背噪声。并且采用一种新的自适应功率控制技术用来降低前置放大器的功耗。
文献[11]提出了一种新的轨至轨追踪锁存比较器和提高其速度的技术。这种结构提供了一个低功耗和高速度在亚阈值区.这种轨至轨输入能力使电路适用于高速高分辨率的应用，如闪存，流水线，和逐次逼近型ADC。输入和输出端的分离使电路可以用在一些应用中，如静态存储器作为高速读出放大器结构。这种分析计算被用来实现了一个高效的电路设计。
1.3本文研究的内容
本文研究的内容是设计一种用于D类音频功放的低功耗轨至轨比较器的设计。通常的比较器只是轨至轨输出，本文研究的比较器是为了实现轨至轨输入，由于该比较器位于D类音频功率放大器的PWM模块中，它所要比较的是三角波和声音信号，声音信号的摆幅比较大，所以会在接近处比较，也会在接近VDD处比较。为了满足D类音频功放对比较器的要求，需要设计一个低功耗的轨至轨（rail to rail）比较器，因为轨至轨比较器作为D类音频功率放大器中的重要电路之一，它的功耗对整个D类音频功放的整体功耗有重要影响。所以这种比较器所具有的特点是轨至轨输入、轨至轨输出和低功耗。本文设计的轨至轨比较器的整体架构如图
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第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文研究的内容 3
1.4 本文的结构安排及任务 3
1.5小结 4
第二章 比较器电路的基本类型 5
2.1比较器基本参数 5
2.1.1比较器的相关参数 6
2.2关于比较器的特性 6
2.2.1静态特性 6
2.2.2动态特性 7
2.3比较器的基本类型 7
2.3.1离散时间比较器 7
2.3.2开环比较器 8
2.3.3差分对动态比较器 9
2.4小结 10
第三章 低功耗轨至轨比较器设计 11
3.1前置输入级电路 11
3.1.1电流源作为负载的放大器 11
3.1.2二极管作为负载的放大器 11
3.1.3如何实现前置输入级电路 12
3.2中间放大级电路 16
3.3输出缓冲级
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
电路的设计 18
3.4偏置电路的设计 20
3.5小结 22
第四章 仿真结果 23
4.1功能性仿真 23
4.2延时性仿真 28
4.3功率耗散性仿真 30
4.4温度和工艺角的仿真验证 32
4.5 小结 36
结束语 37
致 谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
常用的甲类、乙类或甲乙类的音频放大器是模拟放大器，可以对模拟信号直接进行放大，而D类（丙类）放大器是一种数字音频功率放大器，能够将模拟音频信号转变成脉冲信号。尽管甲乙 类的音频放大器的失真度比较小，可它的功耗依然很大，通常转换效率也低于50%，这已然不符合21世纪绿色环保节能的主题。虽然可以采取一些方法对甲类及乙 类的音频放大器可以进行修补（如推挽输出等方法），然而当遇到比较大的功率时，这些方法依然对功率器件造成了胁制，由于功率输出受到了制约，因此致使它们在理想情况下是78.5%的效率，但是在实际中却仅有30%~40%的效率。这就造成了能源的极大浪费，与此同时为了能够使其快速散热就必须增大芯片的面积，甚至要加上散热片，这就意味着不仅占空间而且又提高了生产成本。而今,，低功耗高效率的音频放大器变得越来越流行。尤其是D类音频的功率放大器已然着手在迷你”家庭音响、手机、汽车音频，笔记本电脑音频系统和MP4等便携式的电子设备中得到广泛的应用。D类音频功率放大器与传统的甲 类，乙类及甲乙类的音频功率放大器相比，它最大的优势是在于具有非常高的效率，其工作在开关状态的特性，所以其理想情况下可以达到100%，在实际中也可达到80%以上，这样可以减少芯片和印刷电路板的占用，也大大降低了功耗。因此，作为电子行业一流的音频功率放大器，D类功率放大器在今天的寻求低功耗，小体积，高效率的趋势下具有非常广阔的发展远景。
输入信号的的正弦波与三角波是借助比较器来实行对比，然后使PWM波得以输出，PWM波又称脉宽调制信号。图11所示是它所产生的原理。如果把PWM波中放大以后形成的低频分量净化出去，那么比较器获取的音频信号就是放大后的。由于晶体管在彻底被导通时，它的电流较高然则电压却小，情况相反，当在截止时，晶体管的电压较大，可是其电流却非常小，这个电流也只是它的漏电流罢了。并且当晶体管的音频信号处于不存在的情形下，截止的工作状态让晶体管的效率获得提升。
图11 PWM 波产生原理图
1.2国内外研究现状
关于D类音频功率放大器的发展进程已有50多年，由于D类功放音质好，高效率，低功耗的特点已经成为国内音频市场的主流产品。所以国内最近几年也有许多家公司走进了该领域，在D类功放芯片的研发上都投入大量资金。国外许多大公司在D类音频功放的研究上仍占主导地位，像美国德州仪器公司推出了面相电视，手机，汽车等应用的一系列的D类音频产品。另外，恩智浦、意法半导体也都持有各自优势的高品质产品。
在学术方面，文献[5]中的芯片使用了脉宽调制技术，它所具有的双端输入和全桥式输出的结构，使输出效率得到有效的提高并减少了谐波的失真。该设计选取了无需滤波的结构，不仅减少了芯片的面积还节约了成本，同时效率也高达97%。文献[6]介绍一种在低压工作的条件下轨到轨输入或输出的缓冲级类放大器。共模输入电压的转移是通过电阻所形成的，当在小于一般的轨到轨输入级所限定的最小电压时，该放大器仍然能够工作,且恒定的输入跨导被获取是在整个输入共模电压范围内;由电流镜来驱动它的输出级,以此，完成了轨到轨电压的输出,并具有极强的负载驱动能力。
文献[10]则提出了一种新型的超低功耗的轨到轨比较器，它可以适当地用于低到中等速度的数模转换器。该比较器选用一个前置放大器，然后经过一个动态锁存结构实现快速决策，高清晰度和减少踢背噪声。并且采用一种新的自适应功率控制技术用来降低前置放大器的功耗。
文献[11]提出了一种新的轨至轨追踪锁存比较器和提高其速度的技术。这种结构提供了一个低功耗和高速度在亚阈值区.这种轨至轨输入能力使电路适用于高速高分辨率的应用，如闪存，流水线，和逐次逼近型ADC。输入和输出端的分离使电路可以用在一些应用中，如静态存储器作为高速读出放大器结构。这种分析计算被用来实现了一个高效的电路设计。
1.3本文研究的内容
本文研究的内容是设计一种用于D类音频功放的低功耗轨至轨比较器的设计。通常的比较器只是轨至轨输出，本文研究的比较器是为了实现轨至轨输入，由于该比较器位于D类音频功率放大器的PWM模块中，它所要比较的是三角波和声音信号，声音信号的摆幅比较大，所以会在接近处比较，也会在接近VDD处比较。为了满足D类音频功放对比较器的要求，需要设计一个低功耗的轨至轨（rail to rail）比较器，因为轨至轨比较器作为D类音频功率放大器中的重要电路之一，它的功耗对整个D类音频功放的整体功耗有重要影响。所以这种比较器所具有的特点是轨至轨输入、轨至轨输出和低功耗。本文设计的轨至轨比较器的整体架构如图
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