唐　宁,张　腾

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西 桂林 541004)



应用于D类功率放大器的新型可调式CMOS POP噪音抑制系统

唐宁*,张腾

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西 桂林 541004)

摘要:介绍了一种新型可调POP噪音抑制系统,在集成于芯片内部的同时,提供了稳定的POP噪音抑制,采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺制作,重点采用了时序控制的方法,使得D类功率放大器中的运放和比较器在不同时刻分别开启,达到了抑制噪音的目的。通过理论分析及仿真结果表明,该POP噪声抑制系统可以在电压刚开启时,1.5 ms、2 ms通过开关控制完成运放和比较器的开启,减小运放的噪声系数,起到了良好的POP噪声抑制作用。

关键词:D类功率放大器;POP噪音抑制;时序控制;可调节

“POP”噪声是指音频器件在上电、断电瞬间以及上电稳定后,各种操作带来的瞬态冲击所产生的爆破声[1]。

D类放大器由于其容易实现大功率,较高的转换速率以及较低的失真,而普遍应用于人们的生活中,如笔记本电脑,移动电话以及MP3中[2]。经典的D类功率放大器主要包含脉宽调制单元,开关放大单元以及低通滤波单元[3],由于其在设计上没有考虑到POP噪音的影响,经典的D类功率放大器经常受到POP噪音的困扰,甚至有可能会引起静电噪音,对耳机或音响造成损害[3]。

本文在一些POP噪音抑制方式的基础上,设计了一种全新的可调噪音抑制系统,不仅避免了现有技术使用电容抑制POP噪音带来的缺点,节省了芯片面积,还可以精确的控制需要延迟的时间,使输出信号缓慢变化,起到了抑制POP噪音的效果。

1　传统的POP噪音抑制方法

传统的POP噪音抑制技术大部分均采用外接电容[4],或是在芯片中加入简单的时序控制电路使得开关输入延迟,从而起到POP噪音抑制的作用[5],其外加电容法如图1所示。

图1　传统的TS4990解决方案

为了消除POP噪音,要选择合适的Rin,Cin,Cb的值,确保要在Cb充电完成之前Cin已经完成的充电,也就是说Cin的时间常数Tin应该远小于Cb的的对应启动时间Tb。输入电容Cin和输入电阻Rin构成了一个高通滤波器[7],通常这个频率被设置在100 Hz或者更高。通过-3 dB截止频率计算公式[6]

fcl=1/(2πRC)

当Rin取22 K,fcl为100 Hz,开启电压为100 ms,电源电压Vcc为3.3 V时,我们可以计算得到,Cin约为73 nF。

从计算结果可以看出,外加电容方式并不适用于集成芯片内部,同时又因其对电容的精度要求较高,需要计算精确的电容值才能达到良好的抑制效果,增加设计的难易度。

另一方面简单的时序控制电路只是简单地使系统在处理音频信号之前确保各模块已经进入稳定工作状态,并不能从根本解决其在电压接通关断时引起的POP噪音,且其只能通过时钟或触发器的个数来调节延迟时间,使得该方案在一些需要精确时间延迟的设计中并不适用。

从该图中可以看出,通过时序控制的时序信号可以有效的控制D类功率放大器中的前置放大器和比较器,具体的,由第1第2时序电路控制了前置放大器的输出状态,第3时序控制了比较器的输出状

态[7],通过对前置放大器和比较器的控制,使得D类音频功率放大器在开启和关闭时避免出现较大的电压或电流脉冲,从而有效的抑制D类功率音频功率放大器POP噪音。所以,如何设计时序电路决定了D类功率放大器是否可以有效的抑制POP噪音[8]。

2　基于CMOS的新型POP噪音抑制系统的设计

其原理框图如图2所示。

图2　时序控制电路原理图

本文中设计的时序控制电路由三部分组成,分别为比较器,延时模块,波形选择模块,其原理图如图3所示。

图3　时序控制电路原理图

本文的比较器是为了防止电路在电压开启或关断时,因电压不稳而造成波形跳变而设计的,由于该比较器对精度要求不高,但是相应速度的要求较高,要求其能够在电源工作后,能够迅速启动,所以本设计选取了电荷泵结构[9]。

图4　比较器的设计

由于该时序控制电路分为开启和关断2种状态,所以就要求延迟模块可以分别咋电源开启和关闭时输出不同的波形,同时波形选择模块需要使用二选一选择器分别在不同时间选择不同的延时和波形,本文采用了由D触发器构成的同步时序控制电路,其延迟计算公式为[10]

t=nT

其中n是D触发器的个数,T为时钟周期,本文中采用的时钟分别为300 μs和400 μs,D触发器个数分别为6个、5个和5个。

通过对时序控制电路的仿真,可以得到电压开启和关断时的波形图,如图5,从上到下分别对应原理图中第1、第2以及第3时序的开关时间。

表1给出了本文采用结构与有关参考文献的比较。

吕凌子把5万元现金重新揣回了家。吕凌子原以为5万元可以将事情做个了断，然而事情并没有朝着她所期待的方向发展，并没有她想象中那么顺利。

表1　本文结构与有关参考文献的对比

图5　电源开启(上)和关闭(下)时的波形

3　性能测试

我们以一个搭好的半桥式D触发器来测试实验结果。

假设电源开启电压为10 μs,仿真时间设置为3 ms,当断开时序控制电路和正负反馈以及比较器GND端时,其运放以及比较器的仿真结果如图6所示。

从图6可以看出,由于运算放大器不稳定,在最刚开始通电时以及1.5 ms左右产生了严重的跳变,影响了比较器的输出波形。

当使用了本文的时序控制电路时,我们对电路进行重新仿真,其运放以及比较器波形如图7所示。

图6　运放和比较器的输出结果

图7　运放和比较器的和输出波形

我们可以看出运放输出端虽然在1.5 ms左右有小的跳变,但是由于比较器还未开启,使得比较器输出一直保持高电平,稳定了电压。

对运放进行输出噪声分析,其结果如图8所示,图8上是未使用该时序控制电路的噪声分析仿真结果,下是使用了该时序控制电路的噪声分析结果。

图8　噪声分析

通过对噪声分析,我们可以明显看出,运放在使用了该时序控制电路后,其输出噪声由0.28减小到0.0008,由此可见,该时序控制电路很好的起到了噪音抑制作用,其版图如图9所示。

图9　时序控制电路版图设计

4　最后结论

本设计在综合权衡芯片面积,调节难易度以及调节范围的指标的基础上,通过深入的理论分析,设计了一种基于CMOS的可调POP噪音抑制系统。

本文设计的基于CMOS的POP抑制噪音系统,其面积远远小于经典方法使用电容时所占用的面积,可以方便的集成于各类D类功率放大器中。其延迟单元可以采用反相器,同步或异步时序电路,从而很容易的实现nS～S级别的不同延时需求,时钟即可以选择外接也可根据需要自行设计。该POP噪音抑制系统在满足不同设计需要的基础上,不仅可以应用于D类功率放大器,还可应用于其他需要是要该功能的电路中,极具实用性。

参考文献:

[1]呼延木子,高性能音频功放电路的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2007.

[2]Tim Lok,音频Click和Pop噪声的特性和消除技巧[J].电子与电路,2010(8):61-65.

[3]彭卓.D类音频功率放大器的设计[D].成都:电子科技大学,2006.

[4]比亚迪股份有限公司.D类音频功率放大器[P].中国专利,200820122402.9.2009-9-16.

[5]吴卉.高增益低谐波失真CMOS功率放大器的研究和设计[D].武汉:武汉科技大学,2010.

[6]雷张伟.D类音频功率放大器的设计[D].成都:电子科技大学,2002.

[7]龚伟,周雒维.D类音频功率放大器控制方式综述[J].重庆学学报报,2003,26(2):117-122.

[8]毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿,程军,张瑞智,等译.西安:西安交通大学出版社,2002:521-535.

[9]朱高峰.D类功率放大器的关键技术[J].声学技术,2006,25(5):452-454.

[10]刘皓,景为平.一种频率可调CMOS环形振荡器的分析与设计[J].电子器件,2006,29(4):1023-1026.

唐宁(1964-),男,汉族,湖南邵阳人,桂林电子科技大学研究生导师,副教授,研究方向为数字专用集成电路设计与实现,ningt@guet.edu.cn;

张腾(1989-),男,汉族,河南新乡人,桂林电子科技大学信息与通信学院研究生,研究方向为专用集成电路的设计与实现,wilent@126.com。

ANovelTunableCMOSPopNoiseSuppressionSystemsAppliedtoClass-DPowerAmplifier

TANGNing*,ZHANGTeng

(Informtion and Communication Colleage,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

Abstract:An new type of adjustable POP noise suppression system is designed for integrating in the chip,and providing a stable POP noise suppression.By using SMIC 0.18 μm CMOS fabrication,this device is focusing on the use of a timing control method to make the Class D power amplifier op amps and comparators open at different times to achieve the purpose of suppressing noise.Through theoretical analysis and simulation results show that the POP noise suppression system can control the op amp and comparator at the beginning,1.5ms and 2ms,by the switch to open up,reduce the noise figure and obtain a good POP noise suppression results.

Key words:class-D power amplifier;POP noise suppression;timing control;tunable

doi:EEACC:1220;523010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.022

中图分类号:TN643

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0900-04

收稿日期:2013-10-24修改日期:2013-11-14