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(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(jué)得不舒服。在便攜式應(yīng)用中，為延長(zhǎng)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(kāi)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(lái)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(wú)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(wú)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(guò)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(kāi)關(guān)（SWP1）、NMOS開(kāi)關(guān)（SWN2）和揚(yáng)聲器。揚(yáng)聲器上的有效電壓值為：

其中R_SPK為揚(yáng)聲器的阻抗，R_SWP和R_SWN分別為PMOS開(kāi)關(guān)和NMOS開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻。由式(1)可以看出，增大PMOS開(kāi)關(guān)和NMOS開(kāi)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(kāi)關(guān)和NMOS開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻可以通過(guò)軟啟動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的軟啟動(dòng)方式是將輸出功率管分為N組，通過(guò)時(shí)序控制逐步打開(kāi)。由于在軟啟動(dòng)過(guò)程中功率開(kāi)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(wèn)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(guò)程中的環(huán)路穩(wěn)定性，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通阻抗(R_SWP/R_SWN)與柵源過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓(V_GS-V_TH)的大小成反比的原理，通過(guò)控制上電/下電過(guò)程中功率開(kāi)關(guān)管的柵源驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到控制功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通阻抗的目的。根據(jù)式(1)可知，功率開(kāi)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(guò)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(guò)程。M0/M1的柵源電壓(V_ctrl)由一個(gè)電容充放電路來(lái)控制。在上電過(guò)程中，V_ctrl電壓被初始化至V_LOW，充電電流源I₁經(jīng)過(guò)二極管連接的M2對(duì)C₁進(jìn)行充電，使得V_ctrl電壓由V_LOW緩慢上升至V_H。上電完成后，V_ctrl則被直接拉至 V_DD，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(guò)程中，V_ctrl電壓重置至V_H，開(kāi)關(guān)管M4和M5打開(kāi)，電容C₁經(jīng)由M4和M3通路放電，V_ctrl電壓逐漸由V_H下降至V_LOW。下電完成后，V_ctrl則被直接拉至低電位，M0/M1完全關(guān)斷。在上電/下電過(guò)程中，V_ctrl的最大值V_H約為(V_DD-V_TH)，最小值V_LOW約為V_TH，這可以通過(guò)M2和M3較大的尺寸設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。上電/下電的軟啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短可以通過(guò)I₁和C₁的大小來(lái)調(diào)節(jié)，V_ctrl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(guò)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(guò)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×V_DD變大至正常工作狀態(tài)時(shí)的接近V_DD。這意味著整個(gè)環(huán)路增益的變化超過(guò)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(lái)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R_AUXP/R_AUXN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/R_AUXP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R_AUXP/R_AUXN。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(guò)程中，輔助驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通阻抗由小變大，下電過(guò)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(guò)程中可以保持恒定，確保了系統(tǒng)環(huán)路的穩(wěn)定性。

3 測(cè)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(wú)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(cè)試儀（Audio Precision）對(duì)封裝好的樣品進(jìn)行測(cè)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(wú)濾波級(jí)D類音頻功放在上電和下電過(guò)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(cè)試結(jié)果，圖7(b)為采用Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)樣品的測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，采用Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)以后，無(wú)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(wú)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(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)本文提出的Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)，能在保證無(wú)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)。

參考文獻(xiàn)

[1] CHOI S C，LEE J W，JIN W K.A design of a 10-W signal-chip class D audio amplifier with very high efficiency using CMOS technology[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，1999，45(3)：465-473.

[2] Pio Balmelli，JOHN M K，Eduardo Viegas.A low EMI 3-W audio class-D amplifier compatible with AM/FM Radio[J].IEEE Journal of Solid-State circuits，2013，48(8)：1771-1780.

[3] CARTASEGNA D，MALCOVATI P，CRESPI L，et al.An audio 91-dB THD third-order fully-differential class-D amplifier[C].Proceedings of the ESSCIRC，2011，9：91-94.

[4] BERKHOUT M，DOOPER L.Class-D audio amplifiers in mobile applications[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I，2010，57(5)：992-1002.

[5] LIN Y J，LIOU W R，YEH M L.A high efficiency filterless class-D audio power amplifier[J].IEEE 8th International Conference on ASIC，2009，9：1062-1065.

[6] KIM H S，JUNG S W，JUNG H M.Low cost implementation of filterless class D audio amplifier with constant switching frequency[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2006，52(4)：1442-1446.

[7] GE T，CHANG J S.Filterless class D amplifiers：powerefficiency and power dissipation[J].IET Circuits，Devices & Systems，2010，4(1)：48-56.

[8] Youngkil Choi，Wonho Tak，Younghyun Yoon.A 0.018% THD+N，88-dB PSRR PWM Class-D amplifier for direct battery hookup[J].IEEE Journal of  Solid-State Circuits，2012，47(2)：454-463.

[9] JEONG J H，SEONG H H，YI J H，et al.A class D switching power amplifier with high efficiency and wide bandwidth by dual feedback loops[C].Proceedings of International Conference on Consumer Electronics，1995，6：428-429.

[10] Rojas Gonzalez，Sanchez Sinencio.Low-power High-Effi-ciency Class D audio power amplifiers[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2009，44(12)：3272-3284.