音頻功率集成電路及功率器件的現代研究

徐江

摘 要 在科技水平不斷提升的情況下，功率集成電路出現了高速的發展態勢。在功率集成電路中，音頻功率放大器屬于重要的構成部分，在消費類電子產品領域中具有廣泛的應用。作為全球最大的消費類電子商品市場以及生產的基地，對于音頻功率放大器的需求在不斷的增多，而且要求標準越來越多。本文對于音頻功率集成電路和功率器件展開研究，為實踐工作提供有價值的參考。

關鍵詞 音頻功率集成電路；功率器件；消費類電子

功率集成電路為高壓功率器件與信號處理系統和接口電路、外圍驅動電路以及檢測電路、保護電路等等在相同的芯片上面進行集聚的集成電路。音頻功率放大器在功率集成電路中占據著重要的地位，屬于不可或缺的構成。當前，研究音頻功率放大器、分析音頻功率集成電路和功率器件已經是重點探索的方面。

1 音頻功率集成電路概況

功率半導體器件在發展期間經歷了很多的階段，在二十一世紀前后，功率半導體器件的發展到了密切的結合集成電路的階段。在功率半導體器件和集成電路充分聯系結合期間，使得功率和微電子器件在芯片制造工藝慢慢趨同，MOS型器件的封裝技術靠近著集成電路，而且在器件結構方面將功率MOS型器件以及集成電路在相同芯片或者包裝進行設置已經是趨勢。音頻功率放大芯片的對象就是指各種形式的音箱以及喇叭，采取功率這一途徑讓微弱的聲音信號進行放大，進而獲得到足夠的驅動負載功能。音頻放大器的主要參數很多，包括電源紋波抑制比、總諧波失真加噪聲、信噪比、增益、最大輸出功率、關斷電流以及輸出偏移電壓。TDA7294為DMOS大功率音頻功放集成電路，特點和性能包括作電壓高達±40伏、出功率大，音樂功率可達IOOW、失真和低噪音、音和STAND-BY待機功能等[1]。

2 LS7294電路的分析和仿真

TDA7294的內部等效電路主要包含有四個部分，即分別是雙極晶體管組成的輸入級、運放和大功率MOS管組成的電流輸出級、MOS管構成的第二級放大及電平移位電路、短路保護及過熱保護電路。于輸出級和第二級電壓放大級的密勒電容增添進交流負反饋，可以良好的減輕TDA7294輸出級失真問題。同時能夠實現分開供電電壓放大級和電流放大級的形式，做到將通過電流相互影響降低，屬于理想的保真舉措。因實施參考輸入端的靜音功能，所以予以LS7294兩個差分PNP對管輸入的方式。而且參考輸入端涵蓋阻尼回路，將靜音控制進行優化。關鍵的環節包括輸入級及控制開關、基準源和待機/靜音窗口比較器、靜音控制單元和待機控制單元、輸出功率管下管保護電路、輸出功率管上管保護電路及自舉電路以及中間MOS增益級及功率輸出級電路。仿真時外圍電路閉環增益經反饋，可以控制在30dB，在靜態的工作期間電流大概是在16.5mA。

對于電路的設計進行優化以及調整的方面為：對于輸出VDMOS的單元數量進行合理的調節，同時適當的提升電流輸出能力；電阻盡可能的采取285Ω/口的SP電阻以及PW電阻；將短路保護的溫度啟動點進行抬高，對于常規過流保護的啟動進行延緩。為實施順利的電路測試，可以調整短路保護的溫度在200℃。靜態電流以及待機電流遵循Datasheet適當的調節在稍微低于典型值，但依然具有輸出點電位偏正的情況。而且自舉端的最高電平處在21V+Vs，靜音以及待機電平依照TTL標準，即高電平和低電平分別是2.7V及以上、1.4V及以下[2]。

3 工藝的分析以及器件的仿真

音頻功放芯片TDA7294為應用BCD工藝獲得到的集成電路，功率輸出管就是VDMOS管。下面進行對比TDA7294應用的工藝以及先進的BCD工藝，經工藝分析和器件模擬仿真舉措提供給LS7294的工藝更好的準備。芯片中的器件結構包括NPN管和PNP管、電阻和電容的設置、CMOS、齊納二極管。因芯片最大工作電壓是±50V，所以芯片器件耐壓具有更高的要求標準，集成工藝內能夠采取將外延層的電阻率進行提升以及提升外延層厚度等舉措，把工藝耐壓性能進行有效提升。而且經研究工藝對于器件結構進行改變，進而獲得改善部分器件耐壓特性的效果。對于各器件的結構進行分析，經Synopsys公司的器件模擬軟件Medici，模擬VDMOS、LDMOS以及NPN管的擊穿電壓、CMOS工藝的延伸漏極NMOS管，對于部分同器件擊穿電壓具有關聯性的原因進行分析，測試上華0.6?m CMOS工藝下流片的樣管，最終對模擬的結果進行了驗證[3]。

4 音頻功率放大芯片版圖設計

在BCD工藝中，主要是包括半導體工藝、流片工藝、設計規則提取幾種。半導體工藝涵蓋了CMOS工藝（僅具有P溝道和N溝道，無雙極型和其他器件）、雙極型工藝（有源元件包括NPN型和PNP型雙極型晶體管）和DMOS工藝（對于大電流以及高電壓進行優化設計）。通過邏輯組合各種基本的工藝，最終形成適合應用的特定應用領域，例如BC工藝、CD工藝、BCD工藝。流片工藝是實施飛利浦上海先進半導體的LOF392工藝，屬于對電路和開關進行模擬的高壓工藝，建立在低壓雙極工藝基礎上，納入進橫向功率NMOS以及PMOS、DMOS、JFET、CMOS。

在實施版圖設計規則細化期間，因芯片具有較高的工作電壓，所以重點要解決的問題就是耐壓，通過連接隔離島、加入Channel-stopper、設計高壓PN結等，實現版圖繪制合理性的提升。集成電路的PAD腳將ESD保護增加，ESD保護進行保護電路實現，保護電路的有源器件可以為一個或者多個，保護電路在壓焊孔以及內部電路之間進行連接。設計版圖的總舉措為：依照ASMC標準單元處理，并且實施ST原版圖的其他耐壓策略，全部有源器件均加深磷，于基區的表面構建起P+_P-_N-結防止基區集電區交界處表面擊穿等等。

5 結束語

通過研究音頻功率集成電路及功率器件，對于模擬集成電路設計的過程進行一定的掌握，提升理解電路知識的能力。通過對于BCD工藝中的各種特殊器件進行科學的模擬，也更加深刻的理解高壓工藝以及高壓器件認知，提供給集成電路設計重要的經驗。

參考文獻

[1] 陳富豪，葛運旺，蘆逸云.超音頻感應加熱電源功率調節方法[J].金屬熱處理，2017，42（11）：183-186.

[2] 饒光洋.新型音頻功率放大器信號檢測控制電路的設計[J].電子技術與軟件工程，2017，（12）：95.

[3] 郭治元.利用Multisim10.0對OTL音頻功率放大器進行仿真實驗[J].電子技術與軟件工程，2017，（03）：85，98.