唐　寧,張　騰

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004)

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應(yīng)用于D類功率放大器的新型可調(diào)式CMOS POP噪音抑制系統(tǒng)

唐寧*,張騰

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004)

摘要:介紹了一種新型可調(diào)POP噪音抑制系統(tǒng),在集成于芯片內(nèi)部的同時(shí),提供了穩(wěn)定的POP噪音抑制,采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝制作,重點(diǎn)采用了時(shí)序控制的方法,使得D類功率放大器中的運(yùn)放和比較器在不同時(shí)刻分別開啟,達(dá)到了抑制噪音的目的。通過理論分析及仿真結(jié)果表明,該P(yáng)OP噪聲抑制系統(tǒng)可以在電壓剛開啟時(shí),1.5 ms、2 ms通過開關(guān)控制完成運(yùn)放和比較器的開啟,減小運(yùn)放的噪聲系數(shù),起到了良好的POP噪聲抑制作用。

關(guān)鍵詞:D類功率放大器;POP噪音抑制;時(shí)序控制;可調(diào)節(jié)

“POP”噪聲是指音頻器件在上電、斷電瞬間以及上電穩(wěn)定后,各種操作帶來的瞬態(tài)沖擊所產(chǎn)生的爆破聲[1]。

D類放大器由于其容易實(shí)現(xiàn)大功率,較高的轉(zhuǎn)換速率以及較低的失真,而普遍應(yīng)用于人們的生活中,如筆記本電腦,移動(dòng)電話以及MP3中[2]。經(jīng)典的D類功率放大器主要包含脈寬調(diào)制單元,開關(guān)放大單元以及低通濾波單元[3],由于其在設(shè)計(jì)上沒有考慮到POP噪音的影響,經(jīng)典的D類功率放大器經(jīng)常受到POP噪音的困擾,甚至有可能會(huì)引起靜電噪音,對耳機(jī)或音響造成損害[3]。

本文在一些POP噪音抑制方式的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種全新的可調(diào)噪音抑制系統(tǒng),不僅避免了現(xiàn)有技術(shù)使用電容抑制POP噪音帶來的缺點(diǎn),節(jié)省了芯片面積,還可以精確的控制需要延遲的時(shí)間,使輸出信號緩慢變化,起到了抑制POP噪音的效果。

1　傳統(tǒng)的POP噪音抑制方法

傳統(tǒng)的POP噪音抑制技術(shù)大部分均采用外接電容[4],或是在芯片中加入簡單的時(shí)序控制電路使得開關(guān)輸入延遲,從而起到POP噪音抑制的作用[5],其外加電容法如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)的TS4990解決方案

為了消除POP噪音,要選擇合適的Rin,Cin,Cb的值,確保要在Cb充電完成之前Cin已經(jīng)完成的充電,也就是說Cin的時(shí)間常數(shù)Tin應(yīng)該遠(yuǎn)小于Cb的的對應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間Tb。輸入電容Cin和輸入電阻Rin構(gòu)成了一個(gè)高通濾波器[7],通常這個(gè)頻率被設(shè)置在100 Hz或者更高。通過-3 dB截止頻率計(jì)算公式[6]

fcl=1/(2πRC)

當(dāng)Rin取22 K,fcl為100 Hz,開啟電壓為100 ms,電源電壓Vcc為3.3 V時(shí),我們可以計(jì)算得到,Cin約為73 nF。

從計(jì)算結(jié)果可以看出,外加電容方式并不適用于集成芯片內(nèi)部,同時(shí)又因其對電容的精度要求較高,需要計(jì)算精確的電容值才能達(dá)到良好的抑制效果,增加設(shè)計(jì)的難易度。

另一方面簡單的時(shí)序控制電路只是簡單地使系統(tǒng)在處理音頻信號之前確保各模塊已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),并不能從根本解決其在電壓接通關(guān)斷時(shí)引起的POP噪音,且其只能通過時(shí)鐘或觸發(fā)器的個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)延遲時(shí)間,使得該方案在一些需要精確時(shí)間延遲的設(shè)計(jì)中并不適用。

從該圖中可以看出,通過時(shí)序控制的時(shí)序信號可以有效的控制D類功率放大器中的前置放大器和比較器,具體的,由第1第2時(shí)序電路控制了前置放大器的輸出狀態(tài),第3時(shí)序控制了比較器的輸出狀

態(tài)[7],通過對前置放大器和比較器的控制,使得D類音頻功率放大器在開啟和關(guān)閉時(shí)避免出現(xiàn)較大的電壓或電流脈沖,從而有效的抑制D類功率音頻功率放大器POP噪音。所以,如何設(shè)計(jì)時(shí)序電路決定了D類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噪音抑制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

其原理框圖如圖2所示。

圖2　時(shí)序控制電路原理圖

本文中設(shè)計(jì)的時(shí)序控制電路由三部分組成,分別為比較器,延時(shí)模塊,波形選擇模塊,其原理圖如圖3所示。

圖3　時(shí)序控制電路原理圖

本文的比較器是為了防止電路在電壓開啟或關(guān)斷時(shí),因電壓不穩(wěn)而造成波形跳變而設(shè)計(jì)的,由于該比較器對精度要求不高,但是相應(yīng)速度的要求較高,要求其能夠在電源工作后,能夠迅速啟動(dòng),所以本設(shè)計(jì)選取了電荷泵結(jié)構(gòu)[9]。

圖4　比較器的設(shè)計(jì)

由于該時(shí)序控制電路分為開啟和關(guān)斷2種狀態(tài),所以就要求延遲模塊可以分別咋電源開啟和關(guān)閉時(shí)輸出不同的波形,同時(shí)波形選擇模塊需要使用二選一選擇器分別在不同時(shí)間選擇不同的延時(shí)和波形,本文采用了由D觸發(fā)器構(gòu)成的同步時(shí)序控制電路,其延遲計(jì)算公式為[10]

t=nT

其中n是D觸發(fā)器的個(gè)數(shù),T為時(shí)鐘周期,本文中采用的時(shí)鐘分別為300 μs和400 μs,D觸發(fā)器個(gè)數(shù)分別為6個(gè)、5個(gè)和5個(gè)。

通過對時(shí)序控制電路的仿真,可以得到電壓開啟和關(guān)斷時(shí)的波形圖,如圖5,從上到下分別對應(yīng)原理圖中第1、第2以及第3時(shí)序的開關(guān)時(shí)間。

表1給出了本文采用結(jié)構(gòu)與有關(guān)參考文獻(xiàn)的比較。

呂凌子把5萬元現(xiàn)金重新揣回了家。呂凌子原以為5萬元可以將事情做個(gè)了斷，然而事情并沒有朝著她所期待的方向發(fā)展，并沒有她想象中那么順利。

表1　本文結(jié)構(gòu)與有關(guān)參考文獻(xiàn)的對比

圖5　電源開啟(上)和關(guān)閉(下)時(shí)的波形

3　性能測試

我們以一個(gè)搭好的半橋式D觸發(fā)器來測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

假設(shè)電源開啟電壓為10 μs,仿真時(shí)間設(shè)置為3 ms,當(dāng)斷開時(shí)序控制電路和正負(fù)反饋以及比較器GND端時(shí),其運(yùn)放以及比較器的仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出,由于運(yùn)算放大器不穩(wěn)定,在最剛開始通電時(shí)以及1.5 ms左右產(chǎn)生了嚴(yán)重的跳變,影響了比較器的輸出波形。

當(dāng)使用了本文的時(shí)序控制電路時(shí),我們對電路進(jìn)行重新仿真,其運(yùn)放以及比較器波形如圖7所示。

圖6　運(yùn)放和比較器的輸出結(jié)果

圖7　運(yùn)放和比較器的和輸出波形

我們可以看出運(yùn)放輸出端雖然在1.5 ms左右有小的跳變,但是由于比較器還未開啟,使得比較器輸出一直保持高電平,穩(wěn)定了電壓。

對運(yùn)放進(jìn)行輸出噪聲分析,其結(jié)果如圖8所示,圖8上是未使用該時(shí)序控制電路的噪聲分析仿真結(jié)果,下是使用了該時(shí)序控制電路的噪聲分析結(jié)果。

圖8　噪聲分析

通過對噪聲分析,我們可以明顯看出,運(yùn)放在使用了該時(shí)序控制電路后,其輸出噪聲由0.28減小到0.0008,由此可見,該時(shí)序控制電路很好的起到了噪音抑制作用,其版圖如圖9所示。

圖9　時(shí)序控制電路版圖設(shè)計(jì)

4　最后結(jié)論

本設(shè)計(jì)在綜合權(quán)衡芯片面積,調(diào)節(jié)難易度以及調(diào)節(jié)范圍的指標(biāo)的基礎(chǔ)上,通過深入的理論分析,設(shè)計(jì)了一種基于CMOS的可調(diào)POP噪音抑制系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)的基于CMOS的POP抑制噪音系統(tǒng),其面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于經(jīng)典方法使用電容時(shí)所占用的面積,可以方便的集成于各類D類功率放大器中。其延遲單元可以采用反相器,同步或異步時(shí)序電路,從而很容易的實(shí)現(xiàn)nS～S級別的不同延時(shí)需求,時(shí)鐘即可以選擇外接也可根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)。該P(yáng)OP噪音抑制系統(tǒng)在滿足不同設(shè)計(jì)需要的基礎(chǔ)上,不僅可以應(yīng)用于D類功率放大器,還可應(yīng)用于其他需要是要該功能的電路中,極具實(shí)用性。

參考文獻(xiàn):

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唐寧(1964-),男,漢族,湖南邵陽人,桂林電子科技大學(xué)研究生導(dǎo)師,副教授,研究方向?yàn)閿?shù)字專用集成電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),ningt@guet.edu.cn;

張騰(1989-),男,漢族,河南新鄉(xiāng)人,桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院研究生,研究方向?yàn)閷Ｓ眉呻娐返脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),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

中圖分類號:TN643

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0900-04

收稿日期:2013-10-24修改日期:2013-11-14