文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.010
中文引用格式： 王紹清，葉春暉，胡養(yǎng)聰. D類音頻功放的可集成Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：35-37，41.
英文引用格式： Wang Shaoqing，Ye Chunhui，Hu Yangcong. Integrated Pop-Click noise suppression system for class-D audio power amplifier[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：35-37，41.
0 引言
D類音頻功率放大器符合便攜式設(shè)備高效節(jié)能的客觀需求，因而在音頻模擬集成領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著D類音頻功放性能的不斷完善[1-3]，競爭產(chǎn)品之間的頻率響應(yīng)平坦度和失真度（THD+N）等指標(biāo)相差不大，很難區(qū)分哪一個(gè)產(chǎn)品的性能更好。因此，一些便攜式音頻設(shè)備的特殊要求成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。評(píng)估D類音頻性能的一個(gè)重要指標(biāo)是設(shè)備在打開或關(guān)斷時(shí)，耳機(jī)或揚(yáng)聲器是否出現(xiàn)“咔嗒”（Pop-Click）聲或其他奇怪的瞬態(tài)雜音。隨著人們對(duì)產(chǎn)品性能期望值[4]的提高，無瞬態(tài)雜音成為便攜式音頻設(shè)備的關(guān)鍵賣點(diǎn)。“咔嗒”聲是指放大器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器打開或關(guān)閉時(shí)，在耳機(jī)或揚(yáng)聲器中出現(xiàn)的音頻瞬態(tài)信號(hào)，此種噪聲進(jìn)入人耳會(huì)讓人覺得不舒服。在便攜式應(yīng)用中，為延長電池使用時(shí)間而有各種省電設(shè)置（靜音、待機(jī)、睡眠模式等），或者多個(gè)音源的切換等因素導(dǎo)致了Pop-Click噪聲的出現(xiàn)也愈發(fā)明顯。當(dāng)器件打開或關(guān)斷時(shí)，理想元件不應(yīng)出現(xiàn)音頻輸出，而實(shí)際應(yīng)用中，所有的音頻放大器都會(huì)產(chǎn)生“咔嗒”聲。集成了Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)的D類音頻功率放大器，采用全新的軟啟動(dòng)控制和輔助環(huán)路反饋方式在集成于芯片內(nèi)部的同時(shí)，提供穩(wěn)定良好的Pop-Click噪聲抑制。避免了現(xiàn)有技術(shù)使用電容抑制Pop-Click 噪音帶來的缺點(diǎn)，節(jié)省了芯片面積，還可減少外圍元件的配置要求，有效將Pop-Click噪音抑制至人耳幾乎不可聞的范圍內(nèi)。
1 電路原理
無濾波級(jí)D類音頻功放[5-7]電路采用全差分結(jié)構(gòu)，整體電路采用雙邊“三態(tài)”PWM調(diào)制方案[8]實(shí)現(xiàn)。抑制了系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，去除了輸出級(jí)的LC低通濾波器，是一種適用于便攜設(shè)備的低成本、小尺寸的優(yōu)秀音頻解決方案。無濾波級(jí)D類音頻功放系統(tǒng)如圖1所示，主要由前置運(yùn)算放大器、三角波發(fā)生器、積分電路和輸出級(jí)電路構(gòu)成，采用全H-bridge輸出。在圖1結(jié)構(gòu)中，當(dāng)輸入端音頻信號(hào)為零，由于存在系統(tǒng)輸入失調(diào)電壓(DC offset)，積分器的輸出并不會(huì)為零。那么PWM調(diào)制器中的比較器就會(huì)將積分器的輸出同三角波進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生一個(gè)PWM脈沖輸出。這個(gè)PWM脈沖輸出作用于輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，就會(huì)在上電后產(chǎn)生第一個(gè)差分脈沖輸出，如圖2所示。這個(gè)差分脈沖輸出的峰值接近電池的電壓值，差分脈沖輸出通過揚(yáng)聲器，就產(chǎn)生了一個(gè)很大的Pop-Click噪音。
差分脈沖輸出如圖1所示作用于PMOS開關(guān)（SWP1）、NMOS開關(guān)（SWN2）和揚(yáng)聲器。揚(yáng)聲器上的有效電壓值為：
其中RSPK為揚(yáng)聲器的阻抗，RSWP和RSWN分別為PMOS開關(guān)和NMOS開關(guān)的導(dǎo)通電阻。由式(1)可以看出，增大PMOS開關(guān)和NMOS開關(guān)的導(dǎo)通電阻可以減小上電/下電時(shí)的Pop-Click噪音。
上電/下電時(shí)PMOS開關(guān)和NMOS開關(guān)的導(dǎo)通電阻可以通過軟啟動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)。常見的軟啟動(dòng)方式是將輸出功率管分為N組，通過時(shí)序控制逐步打開。由于在軟啟動(dòng)過程中功率開關(guān)管的導(dǎo)通阻抗變化較大，系統(tǒng)環(huán)路增益也隨之變化，容易造成系統(tǒng)穩(wěn)定性[9]差的問題。同時(shí)輸出功率管的分組控制在版圖實(shí)現(xiàn)上會(huì)引入更多的寄生阻抗，影響功放的整體效率[10]和輸出電流能力。本文提出了一種可集成的Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)，具體的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用全新的軟啟動(dòng)控制方式，避免輸出功率管的分組分時(shí)控制，保持輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)的完整性，不影響系統(tǒng)的效率，并且引入輔助反饋回路確保軟啟動(dòng)過程中的環(huán)路穩(wěn)定性，電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，并且起到良好的Pop-Click噪音抑制作用，大大提高器件的市場競爭力。
2 電路實(shí)現(xiàn)
2.1 軟啟動(dòng)控制
軟啟動(dòng)控制模塊根據(jù)功率開關(guān)管的導(dǎo)通阻抗(RSWP/RSWN)與柵源過驅(qū)動(dòng)電壓(VGS-VTH)的大小成反比的原理，通過控制上電/下電過程中功率開關(guān)管的柵源驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到控制功率開關(guān)管導(dǎo)通阻抗的目的。根據(jù)式(1)可知，功率開關(guān)管的導(dǎo)通阻抗越大，由輸入失調(diào)電壓造成的差分脈沖輸出落在揚(yáng)聲器上的有效電壓值就越小，對(duì)Pop-Click噪音抑制作用就越好。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。
功率驅(qū)動(dòng)管SWP/SWN的驅(qū)動(dòng)級(jí)D0/D1上串聯(lián)由M0/M1實(shí)現(xiàn)的可變電阻器。M0/M1的阻值在上電過程中由大變小，功率驅(qū)動(dòng)管SWP/SWN的柵源電壓隨之由小變大，從而實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)管SWP/SWN的導(dǎo)通阻抗由大逐漸變小的軟啟動(dòng)過程。M0/M1的柵源電壓(Vctrl)由一個(gè)電容充放電路來控制。在上電過程中，Vctrl電壓被初始化至VLOW，充電電流源I1經(jīng)過二極管連接的M2對(duì)C1進(jìn)行充電，使得Vctrl電壓由VLOW緩慢上升至VH。上電完成后，Vctrl則被直接拉至 VDD，M0/M1完全導(dǎo)通，即在正常工作區(qū)間，不再起作用。在下電過程中，Vctrl電壓重置至VH，開關(guān)管M4和M5打開，電容C1經(jīng)由M4和M3通路放電，Vctrl電壓逐漸由VH下降至VLOW。下電完成后，Vctrl則被直接拉至低電位，M0/M1完全關(guān)斷。在上電/下電過程中，Vctrl的最大值VH約為(VDD-VTH)，最小值VLOW約為VTH，這可以通過M2和M3較大的尺寸設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。上電/下電的軟啟動(dòng)時(shí)間長短可以通過I1和C1的大小來調(diào)節(jié)，Vctrl初始值的設(shè)置可以降低整個(gè)上電/下電軟啟動(dòng)的時(shí)間。采用輸出軟啟動(dòng)控制后，功率管輸出端的波形如圖5(a)所示，上電時(shí)表現(xiàn)為由弱逐漸變強(qiáng)的PWM脈沖輸出，下電時(shí)由強(qiáng)逐漸變?nèi)醯腜WM脈沖輸出。
2.2 輔助反饋環(huán)路
由于采用軟啟動(dòng)控制，以上電過程為例，功率驅(qū)動(dòng)管SWP/SWN的導(dǎo)通阻抗有一個(gè)由大變小的過程。并且為了達(dá)到盡可能好的Pop-Click噪音抑制，最大的導(dǎo)通阻抗可以是正常工作時(shí)的N倍。因此對(duì)應(yīng)的環(huán)路反饋電壓會(huì)由1/N×VDD變大至正常工作狀態(tài)時(shí)的接近VDD。這意味著整個(gè)環(huán)路增益的變化超過了正常工作所允許的變化范圍，對(duì)D類音頻放大器的環(huán)路穩(wěn)定性造成很大的影響。為了保證軟啟動(dòng)控制時(shí)的環(huán)路穩(wěn)定性，本文采用輔助反饋回路來補(bǔ)償功率驅(qū)動(dòng)管SWP/SWN的導(dǎo)通阻抗變化導(dǎo)致環(huán)路反饋電壓的變化。輔助反饋回路由輔助驅(qū)動(dòng)器和輔助反饋電阻RAUXP/RAUXN構(gòu)成，如圖3所示。輔助驅(qū)動(dòng)器的尺寸設(shè)置為功率驅(qū)動(dòng)管SWP/SWN的8/RAUXP即可，因?yàn)檩o助驅(qū)動(dòng)器只需要驅(qū)動(dòng)輔助反饋電阻RAUXP/RAUXN。輔助驅(qū)動(dòng)器采用與功率驅(qū)動(dòng)管SWP/SWN相反的軟啟動(dòng)控制，其輸出波形如圖5(b)所示。即上電過程中，輔助驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通阻抗由小變大，下電過程中則由大變小，正常工作時(shí)輔助驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷。圖3中A、B點(diǎn)的環(huán)路反饋電壓為功率驅(qū)動(dòng)管反饋電壓和輔助驅(qū)動(dòng)器反饋電壓之和。如圖5所示，由于采用了輔助反饋回路，環(huán)路反饋電壓在軟啟動(dòng)控制過程中可以保持恒定，確保了系統(tǒng)環(huán)路的穩(wěn)定性。
3 測試結(jié)果及分析
集成了Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)的2.0 W單聲道無濾波級(jí)D類音頻功放，采用0.5 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。 圖6為該芯片的照片。
根據(jù)Maxim公司提出的對(duì)Pop-Click噪聲定量分析的方法，用音頻分析測試儀（Audio Precision）對(duì)封裝好的樣品進(jìn)行測試。圖7為當(dāng)電源電壓為4.2 V時(shí)，單位增益下， 8 Ω喇叭負(fù)載時(shí)，該無濾波級(jí)D類音頻功放在上電和下電過程中Pop-Click噪聲的大小。其中圖7(a)為未采用Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)樣品的測試結(jié)果，圖7(b)為采用Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)樣品的測試結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出，采用Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)以后，無濾波級(jí)D類音頻功放的Pop-Click噪聲得到很好的抑制，由7 mV減小至1.5 mV，達(dá)到人耳幾乎不可聞的要求。因此，本文提出的Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)能在保證D類音頻功放的環(huán)路穩(wěn)定性、輸出功率級(jí)完整性且不影響系統(tǒng)的效率和輸出驅(qū)動(dòng)電流能力的情況下，很好地抑制了系統(tǒng)的Pop-Click噪聲。
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)實(shí)行了一種可集成于D類音頻放大器的Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)。集成該P(yáng)op-Click噪聲抑制系統(tǒng)的2.0 W單聲道無濾波級(jí)D類音頻功放，已經(jīng)采用0.5 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。測試結(jié)果表明，通過本文提出的Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)，能在保證無濾波級(jí)D類音頻功放的環(huán)路穩(wěn)定性、輸出功率級(jí)完整性且不影響系統(tǒng)的效率和輸出驅(qū)動(dòng)電流能力的情況下，很好地將系統(tǒng)的Pop-Click噪聲抑制至人耳幾乎不可聞的1.5 mV范圍內(nèi)。
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