音频功率集成电路及功率器件的现代研究

徐江

摘 要 在科技水平不断提升的情况下，功率集成电路出现了高速的发展态势。在功率集成电路中，音频功率放大器属于重要的构成部分，在消费类电子产品领域中具有广泛的应用。作为全球最大的消费类电子商品市场以及生产的基地，对于音频功率放大器的需求在不断的增多，而且要求标准越来越多。本文对于音频功率集成电路和功率器件展开研究，为实践工作提供有价值的参考。

关键词 音频功率集成电路；功率器件；消费类电子

功率集成电路为高压功率器件与信号处理系统和接口电路、外围驱动电路以及检测电路、保护电路等等在相同的芯片上面进行集聚的集成电路。音频功率放大器在功率集成电路中占据着重要的地位，属于不可或缺的构成。当前，研究音频功率放大器、分析音频功率集成电路和功率器件已经是重点探索的方面。

1 音频功率集成电路概况

功率半导体器件在发展期间经历了很多的阶段，在二十一世纪前后，功率半导体器件的发展到了密切的结合集成电路的阶段。在功率半导体器件和集成电路充分联系结合期间，使得功率和微电子器件在芯片制造工艺慢慢趋同，MOS型器件的封装技术靠近着集成电路，而且在器件结构方面将功率MOS型器件以及集成电路在相同芯片或者包装进行设置已经是趋势。音频功率放大芯片的对象就是指各种形式的音箱以及喇叭，采取功率这一途径让微弱的声音信号进行放大，进而获得到足够的驱动负载功能。音频放大器的主要参数很多，包括电源纹波抑制比、总谐波失真加噪声、信噪比、增益、最大输出功率、关断电流以及输出偏移电压。TDA7294為DMOS大功率音频功放集成电路，特点和性能包括作电压高达±40伏、出功率大，音乐功率可达IOOW、失真和低噪音、音和STAND-BY待机功能等[1]。

2 LS7294电路的分析和仿真

TDA7294的内部等效电路主要包含有四个部分，即分别是双极晶体管组成的输入级、运放和大功率MOS管组成的电流输出级、MOS管构成的第二级放大及电平移位电路、短路保护及过热保护电路。于输出级和第二级电压放大级的密勒电容增添进交流负反馈，可以良好的减轻TDA7294输出级失真问题。同时能够实现分开供电电压放大级和电流放大级的形式，做到将通过电流相互影响降低，属于理想的保真举措。因实施参考输入端的静音功能，所以予以LS7294两个差分PNP对管输入的方式。而且参考输入端涵盖阻尼回路，将静音控制进行优化。关键的环节包括输入级及控制开关、基准源和待机/静音窗口比较器、静音控制单元和待机控制单元、输出功率管下管保护电路、输出功率管上管保护电路及自举电路以及中间MOS增益级及功率输出级电路。仿真时外围电路闭环增益经反馈，可以控制在30dB，在静态的工作期间电流大概是在16.5mA。

对于电路的设计进行优化以及调整的方面为：对于输出VDMOS的单元数量进行合理的调节，同时适当的提升电流输出能力；电阻尽可能的采取285Ω/口的SP电阻以及PW电阻；将短路保护的温度启动点进行抬高，对于常规过流保护的启动进行延缓。为实施顺利的电路测试，可以调整短路保护的温度在200℃。静态电流以及待机电流遵循Datasheet适当的调节在稍微低于典型值，但依然具有输出点电位偏正的情况。而且自举端的最高电平处在21V+Vs，静音以及待机电平依照TTL标准，即高电平和低电平分别是2.7V及以上、1.4V及以下[2]。

3 工艺的分析以及器件的仿真

音频功放芯片TDA7294为应用BCD工艺获得到的集成电路，功率输出管就是VDMOS管。下面进行对比TDA7294应用的工艺以及先进的BCD工艺，经工艺分析和器件模拟仿真举措提供给LS7294的工艺更好的准备。芯片中的器件结构包括NPN管和PNP管、电阻和电容的设置、CMOS、齐纳二极管。因芯片最大工作电压是±50V，所以芯片器件耐压具有更高的要求标准，集成工艺内能够采取将外延层的电阻率进行提升以及提升外延层厚度等举措，把工艺耐压性能进行有效提升。而且经研究工艺对于器件结构进行改变，进而获得改善部分器件耐压特性的效果。对于各器件的结构进行分析，经Synopsys公司的器件模拟软件Medici，模拟VDMOS、LDMOS以及NPN管的击穿电压、CMOS工艺的延伸漏极NMOS管，对于部分同器件击穿电压具有关联性的原因进行分析，测试上华0.6?m CMOS工艺下流片的样管，最终对模拟的结果进行了验证[3]。

4 音频功率放大芯片版图设计

在BCD工艺中，主要是包括半导体工艺、流片工艺、设计规则提取几种。半导体工艺涵盖了CMOS工艺（仅具有P沟道和N沟道，无双极型和其他器件）、双极型工艺（有源元件包括NPN型和PNP型双极型晶体管）和DMOS工艺（对于大电流以及高电压进行优化设计）。通过逻辑组合各种基本的工艺，最终形成适合应用的特定应用领域，例如BC工艺、CD工艺、BCD工艺。流片工艺是实施飞利浦上海先进半导体的LOF392工艺，属于对电路和开关进行模拟的高压工艺，建立在低压双极工艺基础上，纳入进横向功率NMOS以及PMOS、DMOS、JFET、CMOS。

在实施版图设计规则细化期间，因芯片具有较高的工作电压，所以重点要解决的问题就是耐压，通过连接隔离岛、加入Channel-stopper、设计高压PN结等，实现版图绘制合理性的提升。集成电路的PAD脚将ESD保护增加，ESD保护进行保护电路实现，保护电路的有源器件可以为一个或者多个，保护电路在压焊孔以及内部电路之间进行连接。设计版图的总举措为：依照ASMC标准单元处理，并且实施ST原版图的其他耐压策略，全部有源器件均加深磷，于基区的表面构建起P+_P-_N-结防止基区集电区交界处表面击穿等等。

5 结束语

通过研究音频功率集成电路及功率器件，对于模拟集成电路设计的过程进行一定的掌握，提升理解电路知识的能力。通过对于BCD工艺中的各种特殊器件进行科学的模拟，也更加深刻的理解高压工艺以及高压器件认知，提供给集成电路设计重要的经验。

参考文献

[1] 陈富豪，葛运旺，芦逸云.超音频感应加热电源功率调节方法[J].金属热处理，2017，42（11）：183-186.

[2] 饶光洋.新型音频功率放大器信号检测控制电路的设计[J].电子技术与软件工程，2017，（12）：95.

[3] 郭治元.利用Multisim10.0对OTL音频功率放大器进行仿真实验[J].电子技术与软件工程，2017，（03）：85，98.