基于移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用提出一種抑制pop-click噪聲電路技術(shù)

摘要：

基于移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，在D類放大器設(shè)計(jì)中提出爆裂和咔嚓（pop-click）噪聲抑制及飽和失真補(bǔ)償技術(shù)。通過檢測(cè)電源電壓，順序控制前置放大器、功率級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，并在放大器輸出與地之間提供放電通道，有效減小爆裂和咔嚓噪聲幅度；在反饋環(huán)路結(jié)構(gòu)D類功率放大器中，音頻輸入信號(hào)幅度過大，導(dǎo)致放大器輸出飽和失真，通過對(duì)脈沖寬度調(diào)制器輸出進(jìn)行補(bǔ)償，可有效降低放大器的飽和失真，亦可消除因功率晶體管導(dǎo)通時(shí)間過長(zhǎng)，而導(dǎo)致功率管發(fā)生熱損壞的風(fēng)險(xiǎn)。采用上述技術(shù)的D類功率放大器在0.35 μm CMOS工藝技術(shù)上實(shí)現(xiàn)，在電源電壓為3.6 V時(shí)，放大器pop-click噪聲幅度為2.0 mV，THD+N為0.025%。

0 引言

在移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用中，D類放大器與電池輸出直接連接成為一種普遍的需求[1-2]。盡管已公開報(bào)道[1-2]無濾波D類放大器在效率以及動(dòng)態(tài)范圍方面都具有良好的特性，但爆裂和咔嚓（pop-click）噪聲一直限制無濾波D類放大器在移動(dòng)設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用[3]。因此，與電池直接連接無濾波D類放大器設(shè)計(jì)中，抑制pop-click噪聲一直是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。其次，應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備的D類功率放大器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)常采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)以提高放大器性能，放大器的輸出（Vout）被反饋回來與輸入音頻信號(hào)進(jìn)行疊加，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，反饋系統(tǒng)本身既能提高對(duì)電源和襯底噪聲的抑制能力，又能降低放大器的線性失真。然而，由于輸入信號(hào)與反饋信號(hào)通過積分器進(jìn)行疊加，當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí)，積分器輸出容易飽和，而調(diào)制波形Vtri一般不能全電壓范圍調(diào)制，導(dǎo)致脈沖調(diào)制器調(diào)制失效，脈沖調(diào)制器輸出多個(gè)調(diào)制周期恒為高電平或低電平。結(jié)果，D類放大器的功率開關(guān)經(jīng)歷多個(gè)周期導(dǎo)通或關(guān)斷，輸出波形產(chǎn)生嚴(yán)重飽和失真，且極易造成功率器件因長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通而導(dǎo)致熱損壞。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)需求，本文給出基于移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，在D類放大器設(shè)計(jì)中，提出能夠抑制pop-click噪聲的方法，以及減小積分器飽和失真的補(bǔ)償電路技術(shù)。文章首先給出pop-click噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和抑制pop-click噪聲的具體電路實(shí)現(xiàn)方式，以及降低積分器飽和失真的具體電路實(shí)現(xiàn)方法，然后給出放大器的測(cè)試結(jié)果，最后進(jìn)行總結(jié)。

1 電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)提出的D類放大器系統(tǒng)框圖如圖1所示。主要由pop-click噪聲抑制電路、脈沖寬度調(diào)制（PWM）補(bǔ)償電路、前級(jí)放大器、積分器、振蕩器和功率級(jí)等組成。本文主要就pop-click噪聲抑制電路和PWM補(bǔ)償電路進(jìn)行詳細(xì)的討論。

1.1 pop-click噪聲抑制電路

pop-click噪聲的最大電平是音頻放大器性能重要指標(biāo)，在放大器電源上電或去電時(shí)容易產(chǎn)生此噪聲，而人耳剛好對(duì)該噪聲敏感，盡可能減小或抑制放大器pop-click噪聲是D類放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。當(dāng)放大器上電或去電時(shí)，D類放大器的pop-click噪聲產(chǎn)生主要來自兩個(gè)方面[3]：一是放大器的直流失調(diào)，另一個(gè)是PWM脈沖的突然開啟和關(guān)閉。放大器的直流失調(diào)電壓在開機(jī)時(shí)突然應(yīng)用到放大器的輸出或者在關(guān)機(jī)時(shí)突然消失，PWM脈沖的突然產(chǎn)生或突然消失，在D類放大器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)過渡階段，引起的pop-click噪聲電平開始很大，然后由于負(fù)反饋環(huán)路的抑制作用逐漸消失，這個(gè)過程盡管很短，但人耳仍然能夠聽到。

為避免人耳聽到這些噪聲，研究人員提供多種有效的措施。從公開的報(bào)道來看，有以下幾種技術(shù)：文獻(xiàn)[4]通過在音頻放大器的電源電壓管腳放置（RC）濾波電路或者采用模擬開關(guān)把直流電源接入放大器電源管腳，該方法由于不易集成，且會(huì)造成系統(tǒng)功耗和成本的額外消耗，應(yīng)用場(chǎng)合受限；文獻(xiàn)[5]給出單端輸入音頻信號(hào)放大器的抑制pop-click噪聲的方法，該方法通過快速調(diào)整放大器輸入級(jí)共模電平以及在放大器的調(diào)制級(jí)引入虛擬開關(guān)為建立偏置和反饋電壓/電流(BFVC)提供開關(guān)信號(hào)。文獻(xiàn)[3]通過引入可編程輔助驅(qū)動(dòng)器反饋回路來抑制pop-click噪聲，以及調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力來開啟放大器的功率開關(guān)。

上述兩種利用反饋技術(shù)抑制pop-click噪聲，由于反饋網(wǎng)絡(luò)存在環(huán)路調(diào)整過程，如果環(huán)路響應(yīng)時(shí)間慢，對(duì)抑制pop-click噪聲效果較差，而環(huán)路響應(yīng)太快，則易引起放大器環(huán)路不穩(wěn)定；因此為抑制pop-click噪聲，在放大器中引入反饋網(wǎng)絡(luò)會(huì)造成電路設(shè)計(jì)復(fù)雜以及功耗的增加，因此并不實(shí)用。綜合上述考慮，本文將給出一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的可單片集成抑制pop-click噪聲方式。

圖1中，為消除D類放大器的前級(jí)放大器輸入失調(diào)電壓引起的pop-click噪聲，內(nèi)部集成時(shí)序邏輯控制電路，工作過程如下：

第一階段，電路上電過程中，如果電源電壓低于閾值電壓Vref1，芯片處于關(guān)斷階段，此時(shí)放大器的前置放大器、積分器、PWM調(diào)制器、功率開關(guān)均處于關(guān)閉階段，放大器無輸出。

第二階段：外接耦合電容快速充電過程，當(dāng)電源電壓高于閾值電壓Vref1，欠壓鎖定(UVLO)輸出高電平，開啟前置放大器中內(nèi)部偏置電路，偏置電路快速給外接耦合電容充電，耦合電容上電壓快速達(dá)到共模電平(本設(shè)計(jì)為VDD/2)，為避免在給外接電容充電過程中，放大器輸出端產(chǎn)生失調(diào)信號(hào)，開關(guān)S1，S2處于閉合狀態(tài)，前置放大器差分輸入為0，同時(shí)放大器的反饋電阻R3、R4短路，因此，全差分放大器(FDA)的差分輸出為零，電路如圖2所示。

第三階段：耦合電容上共模電壓矯正階段，UVLO信號(hào)經(jīng)過延遲時(shí)間(TD1)，圖2中，開關(guān)S1關(guān)閉，S2保持開啟狀態(tài)，功率晶體管處于關(guān)閉輸出高阻狀態(tài)(揚(yáng)聲器處于“安靜”狀態(tài))。此時(shí)，音頻輸入信號(hào)進(jìn)入放大器FDA1的輸入端，消除前置放大器輸入直流失調(diào)電壓，抑制PWM比較器產(chǎn)生咔嚓噪聲脈沖。

第四階段：開啟功率級(jí)開關(guān)階段，S1關(guān)閉，S2關(guān)閉，前置放大器正常放大輸入音頻信號(hào)，前置放大器的輸出信號(hào)進(jìn)入到積分器和PWM調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制。最后，S2通過時(shí)間延遲TD3后CTL_DRI變?yōu)楦唠娖?，開啟PWM調(diào)制器以及功率開關(guān)，使輸出PWM波通過功率開關(guān)供給負(fù)載，整個(gè)芯片正常工作。該方法無反饋回路，故不會(huì)影響放大器環(huán)路的穩(wěn)定性。同理，在放大器電源電壓去電階段，芯片內(nèi)部通過檢測(cè)電源電壓，當(dāng)電源電壓低于閾值Vref2時(shí)，欠壓保護(hù)電路產(chǎn)生關(guān)斷信號(hào)，首先經(jīng)過延遲時(shí)間TD4關(guān)閉前置放大器和積分器電路，積分器的輸出電壓逐漸減小（積分電容放電過程），PWM調(diào)制的輸出脈沖逐漸變窄，揚(yáng)聲器輸出聲音逐漸消失，避免整個(gè)芯片瞬間關(guān)斷，揚(yáng)聲器產(chǎn)生爆裂噪聲，圖3給出本設(shè)計(jì)時(shí)序圖。

圖4給出抑制pop-click噪聲電路框圖，由UVLO電路模塊和數(shù)字時(shí)間延遲單元構(gòu)成。其中UVLO電路模塊如圖5(a)所示，由電阻分壓電路，失調(diào)比較器，反相器鏈構(gòu)成，其中電阻分壓電路采樣電源電壓，失調(diào)比較器產(chǎn)生遲滯閾值電壓，圖5(b)給出失調(diào)比較器電路圖，失調(diào)電壓由CTL和分別控制晶體管M5和M6使差分輸入對(duì)M1和M2不對(duì)稱生成，其失調(diào)電壓由電阻ROS大小決定。

1.2 PWM補(bǔ)償電路

在反饋結(jié)構(gòu)D類功率放大器中，積分器用于對(duì)輸入音頻信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行求和，如圖1所示，當(dāng)輸入音頻信號(hào)幅度過大，積分器容易出現(xiàn)飽和，在多個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，脈沖寬度調(diào)制器輸出恒為高電平或低電平。為防止積分器輸出飽和，而導(dǎo)致功率開關(guān)MP1和MP2在多個(gè)開關(guān)周期常開或者常關(guān)，在脈沖調(diào)制器的輸出引入PWM補(bǔ)償電路，設(shè)置PWM脈沖的最大占空比和最小占空比，保證在一個(gè)時(shí)鐘周期以內(nèi)，輸出功率器件開關(guān)一次，達(dá)到保護(hù)功率器件的目的，同時(shí)盡可能減小輸出波形飽和失真。PWM補(bǔ)償電路如圖6所示，由補(bǔ)償時(shí)鐘產(chǎn)生電路和PWM矯正邏輯電路構(gòu)成。兩路補(bǔ)償時(shí)鐘(Vtri_PH1和Vtri_PH2)由圖7中電路產(chǎn)生。正常情況下，VPWM占空比介于5%與95%之間，此時(shí)，VPWM_COR=VPWM，當(dāng) VPWM占空比小于5%，VPWM_COR=Vtri_PH1，而當(dāng)VPWM占空比大于95%，VPWM_COR=Vtri_PH2。

圖7給出了三角波生成器電路結(jié)構(gòu)[6]，電路由兩個(gè)比較器、RS觸發(fā)器、充電放電路徑以及電阻分壓構(gòu)成。該電路提供D類放大器的調(diào)制波形，同時(shí)產(chǎn)生用于PWM補(bǔ)償電路的補(bǔ)償信號(hào)Vtri_PH1以及Vtri_PH2。其工作原理如下：為了能夠獲得三角波Vtri，采用恒定電流源IREF給電容CTRI充放電的模式，圖7中，第一比較器(COMP1)對(duì)輸入電壓Vtri與電壓VTH1進(jìn)行比較，當(dāng)Vtri>VTH1，比較器輸出為高電平，圖中RS鎖存器的輸出被置位為邏輯高電平，晶體管M1關(guān)閉，同時(shí)M2開啟，電容CTRI開始放電，當(dāng)Vtri

本設(shè)計(jì)中，VTH1和VTH2由電源電壓VDD采用比例電阻分壓獲得，可得到振蕩器輸出頻率與電源電壓無關(guān)[6]。振蕩器輸出波形如圖8所示。在本設(shè)計(jì)，典型輸入電壓為3.6 V時(shí)，三角波頻率為300 kHz，Vtri_PH1和Vtri_PH2占空比設(shè)計(jì)均為95%。

2 測(cè)試結(jié)果

基于CSMC 0.35 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)D類音頻功率放大器，其版圖照片如圖9所示，單通道芯片面積為0.85 mm2。本設(shè)計(jì)中，基于鋰電池移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，電源電壓范圍為2.5～4.2 V，開關(guān)頻率為300 kHz。圖10給出了電源電壓分別為2.5 V、3.6 V、4.2 V，負(fù)載電阻為8 Ω測(cè)試條件下，THD+N與輸出功率曲線。由圖中可得，當(dāng)電源電壓為3.6 V時(shí)，輸出功率約400 mW時(shí)，放大器的THD+N最小可到0.025%；表1給出本設(shè)計(jì)D類放大器部分測(cè)試結(jié)果。

3 結(jié)論

本文基于移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用提出一種抑制pop-click噪聲電路技術(shù)，在電源上電和去電時(shí)通過時(shí)序電路控制放大器內(nèi)部電路順序開啟和關(guān)斷，有效地減小pop-click噪聲幅度，噪聲幅度小于2.0 mV。通過對(duì)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)進(jìn)行脈沖補(bǔ)償，消除積分器飽和而造成功率開關(guān)晶體管損壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減小當(dāng)輸入信號(hào)幅度太大引起的飽和失真。這些技術(shù)的引入，并沒有犧牲放大器的效率、THD+N以及輸出功率等性能。