D類音頻功放的可集成Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)

王紹清，葉春暉，胡養(yǎng)聰

(矽恩微電子廈門有限公司，福建 廈門 361005）

D類音頻功放的可集成Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)

王紹清，葉春暉，胡養(yǎng)聰

(矽恩微電子廈門有限公司，福建 廈門 361005）

設(shè)計實現(xiàn)了一種可集成于D類音頻功放芯片內(nèi)部的Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)，通過全新的輸出級軟啟動控制以及輔助反饋環(huán)路的采用，保證了軟啟動過程中的環(huán)路穩(wěn)定性和輸出驅(qū)動級的完整性，實現(xiàn)良好穩(wěn)定的Pop-Click噪聲抑制。采用0.5 μm CMOS工藝實現(xiàn)了集成Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)的2.0 W單聲道D類音頻功放。測試結(jié)果顯示，在單位增益、8 Ω喇叭負(fù)載下，該D類音頻功放的Pop-Click噪聲能被有效抑制至1.5 mV內(nèi)。

D類音頻功放；軟啟動；輔助反饋環(huán)路；Pop-Click噪聲抑制

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)計的關(guān)鍵。評估D類音頻性能的一個重要指標(biāo)是設(shè)備在打開或關(guān)斷時，耳機或揚聲器是否出現(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。“咔嗒”聲是指放大器驅(qū)動轉(zhuǎn)換器打開或關(guān)閉時，在耳機或揚聲器中出現(xiàn)的音頻瞬態(tài)信號，此種噪聲進入人耳會讓人覺得不舒服。在便攜式應(yīng)用中，為延長電池使用時間而有各種省電設(shè)置（靜音、待機、睡眠模式等），或者多個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，理想元件不應(yīng)出現(xiàn)音頻輸出，而實際應(yīng)用中，所有的音頻放大器都會產(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，采用全新的軟啟動控制和輔助環(huán)路反饋方式在集成于芯片內(nèi)部的同時，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，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 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]實現(xiàn)。抑制了系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，去除了輸出級的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D類音頻功放系統(tǒng)如圖1所示，主要由前置運算放大器、三角波發(fā)生器、積分電路和輸出級電路構(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為零。那么 PWM調(diào)制器中的比較器就會將積分器的輸出同三角波進行比較，從而產(chǎn)生一個PWM脈沖輸出。這個PWM脈沖輸出作用于輸出級驅(qū)動電路，就會在上電后產(chǎn)生第一個差分脈沖輸出，如圖2所示。這個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聲器，就產(chǎn)生了一個很大的Pop-Click噪音。

圖1 無濾波級D類音頻功放電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 上電/下電過程中因系統(tǒng)輸入失調(diào)產(chǎn)生的PWM輸出

差分脈沖輸出如圖1所示作用于PMOS開關(guān)（SWP1）、NMOS開關(guān)（SWN2）和揚聲器。揚聲器上的有效電壓值為：

其中 RSPK為揚聲器的阻抗，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/下電時的Pop-Click噪音。

上電/下電時PMOS開關(guān)和NMOS開關(guān)的導(dǎo)通電阻可以通過軟啟動的方式來實現(xiàn)。常見的軟啟動方式是將輸出功率管分為N組，通過時序控制逐步打開。由于在軟啟動過程中功率開關(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。同時輸出功率管的分組控制在版圖實現(xiàn)上會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。采用全新的軟啟動控制方式，避免輸出功率管的分組分時控制，保持輸出驅(qū)動級的完整性，不影響系統(tǒng)的效率，并且引入輔助反饋回路確保軟啟動過程中的環(huán)路穩(wěn)定性，電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(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。

圖3 帶Pop-Click噪音抑制的無濾波級D類音頻功放結(jié)構(gòu)圖

2 電路實現(xiàn)

2.1 軟啟動控制

軟啟動控制模塊根據(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聲器上的有效電壓值就越小，對Pop-Click噪音抑制作用就越好。具體實現(xiàn)電路如圖4所示。

圖4 軟啟動控制實現(xiàn)原理圖

功率驅(qū)動管SWP/SWN的驅(qū)動級D0/D1上串聯(lián)由M0/M1實現(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)動管SWP/SWN的柵源電壓隨之由小變大，從而實現(xiàn)功率驅(qū)動管SWP/SWN的導(dǎo)通阻抗由大逐漸變小的軟啟動過程。M0/M1的柵源電壓(Vctrl)由一個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 C1進行充電，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)置來實現(xiàn)。上電/下電的軟啟動時間長短可以通過 I1和 C1的大小來調(diào)節(jié)，Vctrl初始值的設(shè)置可以降低整個上電/下電軟啟動的時間。采用輸出軟啟動控制后，功率管輸出端的波形如圖5(a)所示，上電時表現(xiàn)為由弱逐漸變強的PWM脈沖輸出，下電時由強逐漸變?nèi)醯腜WM脈沖輸出。

2.2 輔助反饋環(huán)路

由于采用軟啟動控制，以上電過程為例，功率驅(qū)動管SWP/SWN的導(dǎo)通阻抗有一個由大變小的過程。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的N倍。因此對應(yīng)的環(huán)路反饋電壓會由 1/N×VDD變大至正常工作狀態(tài)時的接近 VDD。這意味著整個環(huán)路增益的變化超過了正常工作所允許的變化范圍，對D類音頻放大器的環(huán)路穩(wěn)定性造成很大的影響。為了保證軟啟動控制時的環(huán)路穩(wěn)定性，本文采用輔助反饋回路來補償功率驅(qū)動管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)動器和輔助反饋電阻 RAUXP/RAUXN構(gòu)成，如圖3所示。輔助驅(qū)動器的尺寸設(shè)置為功率驅(qū)動管SWP/SWN的8/RAUXP即可，因為輔助驅(qū)動器只需要驅(qū)動輔助反饋電阻 RAUXP/ RAUXN。輔助驅(qū)動器采用與功率驅(qū)動管SWP/SWN相反的軟啟動控制，其輸出波形如圖5(b)所示。即上電過程中，輔助驅(qū)動器的導(dǎo)通阻抗由小變大，下電過程中則由大變小，正常工作時輔助驅(qū)動器關(guān)斷。圖3中A、B點的環(huán)路反饋電壓為功率驅(qū)動管反饋電壓和輔助驅(qū)動器反饋電壓之和。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。

圖5 上電/下電過程中的差分PWM輸出

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D類音頻功放，采用 0.5 μm CMOS工藝實現(xiàn)。圖6為該芯片的照片。

圖6 無濾波級D類功放芯片照片

圖7 無濾波級D類音頻功放在上電/下電時的Pop-Click噪聲

根據(jù)Maxim公司提出的對Pop-Click噪聲定量分析的方法，用音頻分析測試儀（Audio Precision）對封裝好的樣品進行測試。圖7為當(dāng)電源電壓為4.2 V時，單位增益下，8 Ω喇叭負(fù)載時，該無濾波級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 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、輸出功率級完整性且不影響系統(tǒng)的效率和輸出驅(qū)動電流能力的情況下，很好地抑制了系統(tǒng)的Pop-Click噪聲。

4 結(jié)論

本文設(shè)計實行了一種可集成于D類音頻放大器的Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)。集成該Pop-Click噪聲抑制系統(tǒng)的2.0 W單聲道無濾波級D類音頻功放，已經(jīng)采用0.5 μm CMOS工藝實現(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D類音頻功放的環(huán)路穩(wěn)定性、輸出功率級完整性且不影響系統(tǒng)的效率和輸出驅(qū)動電流能力的情況下，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

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Integrated Pop-Click noise suppression system for class-D audio power amplifier

Wang Shaoqing，Ye Chunhui，Hu Yangcong
(SI-EN Technology Xiamen Ltd.，Xiamen 361005，China)

Integrated Pop-Click noise suppression system for class D audio power amplifier application is presented.A novel soft start control of output driver and an auxiliary feedback loop circuits ensure the stability of class D loop and the integrality of output power stage,realize the good Pop-Click noise suppression.A class D audio amplifier that integrated with the Pop-Click noise suppression system was implemented in 0.5 μm CMOS process.The measurement result shows that at 0 dB gain setting and 8 Ω speaker loading the amplifier can suppress the Pop-Click noise to 1.5 mV.

class D audio power amplifier；soft start；auxiliary feedback loop；Pop Click noise suppression

TN402

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.010

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.

2015-08-07)

王紹清（1981-），女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計與應(yīng)用。

葉春暉（1984-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計與應(yīng)用。

胡養(yǎng)聰（1984-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計與應(yīng)用。