鲁达 王少清、叶春辉、胡阳聪
(硅微电子厦门有限公司，福建厦门361005)
摘要：设计了一种可集成在D类音频放大器芯片内部的Pop-Click噪声抑制系统，通过采用新的输出级软启动控制和辅助反馈环路，保证了软启动过程中环路稳定性和输出驱动器级的完整性，保证了稳定的Pop-Click噪声抑制。
采用0.5 μm CMOS工艺实现了集成Pop-Click噪声抑制系统的2.0 W单声道D类音频功放。测试结果显示，在单位增益、8 Ω喇叭负载下，该D类音频功放的Pop-Click噪声能被有效抑制至1.5 mV内。0 引言
D类音频功率放大器符合便携式设备高效节能的客观需求，因而在音频模拟集成领域得到越来越广泛的应用。随着D类音频功放性能的不断完善[1-3]，竞争产品之间的频率响应平坦度和失真度（THD+N）等指标相差不大，很难区分哪一个产品的性能更好。因此，一些便携式音频设备的特殊要求成为产品设计的关键。评估D类音频性能的一个重要指标是设备在打开或关断时，耳机或扬声器是否出现“咔嗒”（Pop-Click）声或其他奇怪的瞬态杂音。随着人们对产品性能期望值[4]的提高，无瞬态杂音成为便携式音频设备的关键卖点。“咔嗒”声是指放大器驱动转换器打开或关闭时，在耳机或扬声器中出现的音频瞬态信号，此种噪声进入人耳会让人觉得不舒服。在便携式应用中，为延长电池使用时间而有各种省电设置（静音、待机、睡眠模式等），或者多个音源的切换等因素导致了Pop-Click噪声的出现也愈发明显。当器件打开或关断时，理想元件不应出现音频输出，而实际应用中，所有的音频放大器都会产生“咔嗒”声。集成了Pop-Click噪声抑制系统的D类音频功率放大器，采用全新的软启动控制和辅助环路反馈方式在集成于芯片内部的同时，提供稳定良好的Pop-Click噪声抑制。避免了现有技术使用电容抑制Pop-Click 噪音带来的缺点，节省了芯片面积，还可减少外围元件的配置要求，有效将Pop-Click噪音抑制至人耳几乎不可闻的范围内。
1 电路原理
无滤波级D类音频功放[5-7]电路采用全差分结构，整体电路采用双边“三态”PWM调制方案[8]实现。抑制了系统的静态功耗，去除了输出级的LC低通滤波器，是一种适用于便携设备的低成本、小尺寸的优秀音频解决方案。无滤波级D类音频功放系统如图1所示，主要由前置运算放大器、三角波发生器、积分电路和输出级电路构成，采用全H-bridge输出。在图1结构中，当输入端音频信号为零，由于存在系统输入失调电压(DC offset)，积分器的输出并不会为零。那么PWM调制器中的比较器就会将积分器的输出同三角波进行比较，从而产生一个PWM脉冲输出。这个PWM脉冲输出作用于输出级驱动电路，就会在上电后产生第一个差分脉冲输出，如图2所示。这个差分脉冲输出的峰值接近电池的电压值，差分脉冲输出通过扬声器，就产生了一个很大的Pop-Click噪音。
差分脉冲输出如图1所示作用于PMOS开关（SWP1）、NMOS开关（SWN2）和扬声器。扬声器上的有效电压值为：
其中RSPK为扬声器的阻抗，RSWP和RSWN分别为PMOS开关和NMOS开关的导通电阻。由式(1)可以看出，增大PMOS开关和NMOS开关的导通电阻可以减小上电/下电时的Pop-Click噪音。
上电/下电时PMOS开关和NMOS开关的导通电阻可以通过软启动的方式来实现。常见的软启动方式是将输出功率管分为N组，通过时序控制逐步打开。由于在软启动过程中功率开关管的导通阻抗变化较大，系统环路增益也随之变化，容易造成系统稳定性[9]差的问题。同时输出功率管的分组控制在版图实现上会引入更多的寄生阻抗，影响功放的整体效率[10]和输出电流能力。本文提出了一种可集成的Pop-Click噪声抑制系统，具体的电路结构如图3所示。采用全新的软启动控制方式，避免输出功率管的分组分时控制，保持输出驱动级的完整性，不影响系统的效率，并且引入辅助反馈回路确保软启动过程中的环路稳定性，电路结构简单，易于实现，并且起到良好的Pop-Click噪音抑制作用，大大提高器件的市场竞争力。
2 电路实现
2.1 软启动控制
软启动控制模块根据功率开关管的导通阻抗(RSWP/RSWN)与栅源过驱动电压(VGS-VTH)的大小成反比的原理，通过控制上电/下电过程中功率开关管的栅源驱动电压达到控制功率开关管导通阻抗的目的。根据式(1)可知，功率开关管的导通阻抗越大，由输入失调电压造成的差分脉冲输出落在扬声器上的有效电压值就越小，对Pop-Click噪音抑制作用就越好。具体实现电路如图4所示。
功率驱动管SWP/SWN的驱动级D0/D1上串联由M0/M1实现的可变电阻器。M0/M1的阻值在上电过程中由大变小，功率驱动管SWP/SWN的栅源电压随之由小变大，从而实现功率驱动管SWP/SWN的导通阻抗由大逐渐变小的软启动过程。M0/M1的栅源电压(Vctrl)由一个电容充放电路来控制。在上电过程中，Vctrl电压被初始化至VLOW，充电电流源I1经过二极管连接的M2对C1进行充电，使得Vctrl电压由VLOW缓慢上升至VH。上电完成后，Vctrl则被直接拉至 VDD，M0/M1完全导通，即在正常工作区间，不再起作用。在下电过程中，Vctrl电压重置至VH，开关管M4和M5打开，电容C1经由M4和M3通路放电，Vctrl电压逐渐由VH下降至VLOW。下电完成后，Vctrl则被直接拉至低电位，M0/M1完全关断。在上电/下电过程中，Vctrl的最大值VH约为(VDD-VTH)，最小值VLOW约为VTH，这可以通过M2和M3较大的尺寸设置来实现。上电/下电的软启动时间长短可以通过I1和C1的大小来调节，Vctrl初始值的设置可以降低整个上电/下电软启动的时间。采用输出软启动控制后，功率管输出端的波形如图5(a)所示，上电时表现为由弱逐渐变强的PWM脉冲输出，下电时由强逐渐变弱的PWM脉冲输出。
2.2 辅助反馈环路
由于采用软启动控制，以上电过程为例，功率驱动管SWP/SWN的导通阻抗有一个由大变小的过程。并且为了达到尽可能好的Pop-Click噪音抑制，最大的导通阻抗可以是正常工作时的N倍。因此对应的环路反馈电压会由1/N×VDD变大至正常工作状态时的接近VDD。这意味着整个环路增益的变化超过了正常工作所允许的变化范围，对D类音频放大器的环路稳定性造成很大的影响。为了保证软启动控制时的环路稳定性，本文采用辅助反馈回路来补偿功率驱动管SWP/SWN的导通阻抗变化导致环路反馈电压的变化。辅助反馈回路由辅助驱动器和辅助反馈电阻RAUXP/RAUXN构成，如图3所示。辅助驱动器的尺寸设置为功率驱动管SWP/SWN的8/RAUXP即可，因为辅助驱动器只需要驱动辅助反馈电阻RAUXP/RAUXN。辅助驱动器采用与功率驱动管SWP/SWN相反的软启动控制，其输出波形如图5(b)所示。即上电过程中，辅助驱动器的导通阻抗由小变大，下电过程中则由大变小，正常工作时辅助驱动器关断。图3中A、B点的环路反馈电压为功率驱动管反馈电压和辅助驱动器反馈电压之和。如图5所示，由于采用了辅助反馈回路，环路反馈电压在软启动控制过程中可以保持恒定，确保了系统环路的稳定性。
3 测试结果及分析
集成了Pop-Click噪声抑制系统的2.0 W单声道无滤波级D类音频功放，采用0.5 μm CMOS工艺实现。 图6为该芯片的照片。
根据Maxim公司提出的对Pop-Click噪声定量分析的方法，用音频分析测试仪（Audio Precision）对封装好的样品进行测试。图7为当电源电压为4.2 V时，单位增益下， 8 Ω喇叭负载时，该无滤波级D类音频功放在上电和下电过程中Pop-Click噪声的大小。其中图7(a)为未采用Pop-Click噪声抑制系统样品的测试结果，图7(b)为采用Pop-Click噪声抑制系统样品的测试结果。从测试结果可以看出，采用Pop-Click噪声抑制系统以后，无滤波级D类音频功放的Pop-Click噪声得到很好的抑制，由7 mV减小至1.5 mV，达到人耳几乎不可闻的要求。因此，本文提出的Pop-Click噪声抑制系统能在保证D类音频功放的环路稳定性、输出功率级完整性且不影响系统的效率和输出驱动电流能力的情况下，很好地抑制了系统的Pop-Click噪声。
4 结论
本文设计实行了一种可集成于D类音频放大器的Pop-Click噪声抑制系统。集成该Pop-Click噪声抑制系统的2.0 W单声道无滤波级D类音频功放，已经采用0.5 μm CMOS工艺实现。测试结果表明，通过本文提出的Pop-Click噪声抑制系统，能在保证无滤波级D类音频功放的环路稳定性、输出功率级完整性且不影响系统的效率和输出驱动电流能力的情况下，很好地将系统的Pop-Click噪声抑制至人耳几乎不可闻的1.5 mV范围内。
参考文献
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