Etude et conception d’un amplificateur audio classe-D en technologie CMOS 0.35µm pour les téléphones mobiles

Abstract

Le but de notre travail est l’étude, la conception et le Layout d’un système microélectronique Audio Classe D en utilisant le processus TSMC035 µm sous le flot de conception Cadence Virtuoso. Nous avons présenté dans un premier temps un aperçu sur la technologie de conception analogique des circuits intégrés TSMC. Dans un deuxième temps nous avons exposé la théorie des amplificateurs de puissance audio, les relations et les caractéristiques fondamentales pour le calcul de la puissance des circuits. Puis nous avons fait un bref rappel des architectures électriques les plus répandues ainsi que et les avantages et les inconvénients des différents amplificateurs de puissance audio : classe-A, classe-B, classe-AB et classe-D. Ensuite Nous avons présenté l’architecture et le fonctionnement général des différents modules d’un système Audio Classe D et étudié leurs comportements face aux rendements, distorsions et consommation. Après, nous avons présenté nos contributions concernant la conception l’amélioration et l’adaptation des différents modules de notre système Audio. Pour cela nous avons proposé des nouvelles structures que nous avons simulés et layouté pour les modules : Mixeur, Amplificateur intégrateur, Comparateur de tension, Rampe génératrice, Circuit de démarrage et de protection, Circuit de décalage de tension, Distributeur de courant, Driver de tension contrôlée, filtre d’entrée et filtre de sortie. Afin de métriser la stabilité de notre système Audio, nous avons proposé une nouvelle architecture pour le générateur de tension de référence qui permet de générer une rampe présentant une précision très élevée, une robustesse par rapport à la technologie, la température et l’alimentation et une surface minimale au niveau Silicium. Nous avons ensuite ajouté le comparateur qui permet de comparer la tension d’entrée amplifiée et la rampe et de générer un signal impulsionnel (PWM) Une analyse approfondie de l’étage de sortie de notre système audio a été présentée. Lors de cette étude nous avons mis l’action sur la cause du non linéarité de la caractéristique de l’étage de sortie, l’identification de l’effet du temps mort sur la non-linéarité, le rôle de la résistance drain-source Rds (on) sur le taux de distorsion harmonique, la nécessité du driver de l’étage de sortie de classe-D et la nécessité d’un filtre de sortie pour lequel nous avons calculé les pertes de puissance, localisé les sources d’interférence électro magnétique (EMI) et traité le bruit du mode commun et du mode différentielle. Les résultats de simulation reflètent la compatibilité des structures proposées par rapport aux spécifications exigées par le cahier de charge. Ainsi on a achevé le Design Front End dans le flot de conception analogue via Cadence Virtuoso XL. La dernière partie de ce travail a été dédiée au routage et placements physique des modules et des pins de notre système Audio tout en proposant des solutions optimisées des différents problèmes de conception et de réalisation du Layout.