D类音频功放的可集成Pop-Click噪声抑制系统

王绍清，叶春晖，胡养聪

(矽恩微电子厦门有限公司，福建 厦门361005）

摘 要：设计实现了一种可集成于D类音频功放芯片内部的Pop-Click噪声抑制系统，通过全新的输出级软启动控制以及辅助反馈环路的采用，保证了软启动过程中的环路稳定性和输出驱动级的完整性，实现良好稳定的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R_SPK为扬声器的阻抗，R_SWP和R_SWN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。

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(R_SWP/R_SWN)与栅源过驱动电压(V_GS-V_TH)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(V_ctrl)由一个电容充放电路来控制。在上电过程中，V_ctrl电压被初始化至V_LOW，充电电流源I₁经过二极管连接的M2对C₁进行充电，使得V_ctrl电压由V_LOW缓慢上升至V_H。上电完成后，V_ctrl则被直接拉至 V_DD，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，V_ctrl电压重置至V_H，开关管M4和M5打开，电容C₁经由M4和M3通路放电，V_ctrl电压逐渐由V_H下降至V_LOW。下电完成后，V_ctrl则被直接拉至低电位，M0/M1完全关断。在上电/下电过程中，V_ctrl的最大值V_H约为(V_DD-V_TH)，最小值V_LOW约为V_TH，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，V_ctrl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

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。

4 结论

参考文献

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