徐凱英，丁 寧，孔祥藝，黃立朝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214035）

1 引言

音頻放大器根據(jù)放大器的工作狀態(tài)，通常分為A類、B 類、AB 類、D 類等。不同的音頻放大器在失真、功耗、效率、噪聲和成本等方面有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)單一種類的放大器很難覆蓋所有優(yōu)點(diǎn)[1-3]。文獻(xiàn)[3]中D 類音頻放大器效率最高，但由于其工作時(shí)由開關(guān)信號(hào)控制，存在難以控制的總諧波失真（THD）。在高品質(zhì)、低失真應(yīng)用環(huán)境中，AB 類音頻放大器仍舊是市場(chǎng)主力[4]。

傳統(tǒng)的AB 類音頻放大器，如文獻(xiàn)[4-6]所述，LM4871 輸出級(jí)采用橋式連接，不兼容耳機(jī)負(fù)載，且其工作在電源電壓低于5 V 和小電流環(huán)境時(shí)，信號(hào)失真嚴(yán)重。設(shè)計(jì)一款低功耗、高保真同時(shí)能兼容耳機(jī)和揚(yáng)聲器的AB 類音頻放大器將會(huì)有較好的市場(chǎng)前景。

本文提出的改進(jìn)后的AB 類音頻放大器設(shè)計(jì)與文獻(xiàn)[7]的設(shè)計(jì)相比，支持負(fù)載狀態(tài)檢測(cè)，可切換耳機(jī)和揚(yáng)聲器模式，通過(guò)調(diào)整主從運(yùn)放的工作狀態(tài)，顯著降低了芯片在耳機(jī)負(fù)載下的功耗，全負(fù)載模式下總諧波失真為0.02%，優(yōu)化后的放大器功耗和失真率低，音效品質(zhì)符合要求。

2 多模式音頻放大器芯片的電路設(shè)計(jì)

2.1 耳機(jī)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

耳機(jī)檢測(cè)模塊用于檢測(cè)耳機(jī)的插入，由于揚(yáng)聲器和耳機(jī)模式的負(fù)載電阻不同，不同電流環(huán)境下，僅依靠電流檢測(cè)功能難以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)耳機(jī)插入的功能，需要獨(dú)立的耳機(jī)檢測(cè)模塊。

2.1.1 耳機(jī)檢測(cè)電路

耳機(jī)檢測(cè)模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，耳機(jī)檢測(cè)模塊由一個(gè)比較器組成，電流源提供偏置電流，比較器其他結(jié)構(gòu)由NMOS 管N1～N5構(gòu)成的開環(huán)2 級(jí)運(yùn)放組成，差分輸入端N1和N2管的柵極一端連接基準(zhǔn)電流并將其轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)電壓Vref，另一端連接芯片的BTL 引腳，當(dāng)BTL 引腳有耳機(jī)接入時(shí)，運(yùn)放輸出端翻轉(zhuǎn)，N4的漏極輸出高電平，使能耳機(jī)的控制邏輯模塊。

圖1 耳機(jī)檢測(cè)模塊的電路結(jié)構(gòu)

2.1.2 耳機(jī)模式控制邏輯

當(dāng)無(wú)耳機(jī)插入時(shí)，比較器輸出低電平0，耳機(jī)控制模式邏輯輸出0，主運(yùn)放和從運(yùn)放均正常工作。當(dāng)有耳機(jī)接入時(shí)，比較器輸出由0 翻轉(zhuǎn)至1，輸出高電平給控制邏輯，控制模塊使能，關(guān)閉主運(yùn)放的偏置電流，主運(yùn)放無(wú)偏置電流不工作，音頻放大器變?yōu)閱味溯敵觯纛l放大器整體工作電流減小，從運(yùn)放輸出放大后的音頻信號(hào)給耳機(jī)，具體的工作模式如表1 所示。

表1 音頻放大器的工作模式

2.2 多路基準(zhǔn)電流源設(shè)計(jì)

由于揚(yáng)聲器和耳機(jī)模式下提供給負(fù)載的電流大小并不相同，需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的多路基準(zhǔn)電流源為內(nèi)部模塊提供偏置電流，當(dāng)模式切換時(shí)，通過(guò)關(guān)斷對(duì)應(yīng)支路的基準(zhǔn)電流，可同時(shí)兼容揚(yáng)聲器和耳機(jī)負(fù)載。為使基準(zhǔn)電流不隨溫度波動(dòng)，需構(gòu)建正、負(fù)溫度系數(shù)相抵消的電流，高精度多路基準(zhǔn)電流源結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖2 中Q1～Q5均為NPN 型雙極型晶體管，VT為NPN 管基極-發(fā)射極的熱電壓，Q3和Q4發(fā)射結(jié)電壓之差為正溫度系數(shù)，R 為負(fù)溫度系數(shù)的電阻，關(guān)系見式（1），N 為Q4發(fā)射極和Q3發(fā)射極面積之比，通過(guò)正、負(fù)溫度系數(shù)抵消產(chǎn)生了基準(zhǔn)電流Ibias，實(shí)現(xiàn)了不隨溫度變化的基準(zhǔn)電流源[7]。

圖2 高精度多路基準(zhǔn)電流源結(jié)構(gòu)

當(dāng)N 為9 時(shí)，偏置電流為10 μA，圖2 中M1～M5構(gòu)成4 組電流鏡，通過(guò)調(diào)整圖2 右側(cè)M2～M5管的寬長(zhǎng)比，基準(zhǔn)電流源模塊可輸出4 路獨(dú)立的偏置電流。Ibias1為主運(yùn)放的偏置電流，Ibias2為從運(yùn)放的偏置電流，Ibias3供給過(guò)流保護(hù)模塊，Ibias4供給耳機(jī)檢測(cè)模塊。電流源模塊為整個(gè)音頻放大器的核心模塊之一，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊的控制，使能和關(guān)閉對(duì)應(yīng)模塊的偏置電流支路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的邏輯控制功能。

2.3 過(guò)流保護(hù)模塊

由于AB 類音頻放大器存在交替導(dǎo)通的工作環(huán)境，若出現(xiàn)異常，放大器同時(shí)導(dǎo)通，輸出晶體管過(guò)流，產(chǎn)生的瞬時(shí)大電流會(huì)損壞音頻放大器[8]。根據(jù)AB 類音頻放大器的工作模式，過(guò)流保護(hù)模塊需支持耳機(jī)模式過(guò)流保護(hù)、揚(yáng)聲器模式過(guò)流保護(hù)以及異常狀態(tài)過(guò)流保護(hù)。

根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)的過(guò)流保護(hù)模塊如圖3 所示，PNP 管Q1～Q3和Nm1～Nm2構(gòu)成比例電流鏡，通過(guò)比例電流源結(jié)構(gòu)，將P4管和電流源的電流比值設(shè)置為320∶1，即P4管所在支路的電流為基準(zhǔn)電流的320 倍，當(dāng)電路短路到地時(shí)，瞬時(shí)大電流達(dá)到所設(shè)定的過(guò)流保護(hù)閾值，會(huì)使P3管翻轉(zhuǎn)觸發(fā)關(guān)斷邏輯。同樣，當(dāng)處于耳機(jī)模式時(shí)，P2管翻轉(zhuǎn)觸發(fā)關(guān)斷邏輯。當(dāng)電路正常工作時(shí)，P1管所在支路出現(xiàn)超限電流，也會(huì)使保護(hù)結(jié)構(gòu)的邏輯翻轉(zhuǎn)。

圖3 過(guò)流保護(hù)模塊電路結(jié)構(gòu)

2.4 音頻放大器整體模塊

AB 類音頻放大器電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示，偏置電流模塊支路用電流源代替，待放大的音頻信號(hào)由VIN端輸入，經(jīng)過(guò)主運(yùn)放放大后輸出到從運(yùn)放，從運(yùn)放接成單位增益緩沖器的形式，將放大后的音頻信號(hào)進(jìn)行反向電壓跟隨，雙運(yùn)放同時(shí)工作驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。當(dāng)有耳機(jī)插入時(shí)，音頻放大器進(jìn)入耳機(jī)模式，主運(yùn)放關(guān)閉，從運(yùn)放單獨(dú)工作，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)負(fù)載。

圖4 AB 類音頻放大器整體電路結(jié)構(gòu)

3 芯片版圖設(shè)計(jì)

音頻放大器的音頻核心模塊為2 個(gè)同樣大小的功率放大器，2 個(gè)功率放大器的功率管均采用閾值電壓為0.4 V 的低閾值管，可使音頻放大器工作在低電源電壓模式。主運(yùn)放和從運(yùn)放在版圖上應(yīng)該對(duì)稱分布，降低工藝因素對(duì)運(yùn)放匹配性的影響，從而降低音頻放大器的失調(diào)引起的失真，提高音頻放大器的音質(zhì)。芯片版圖如圖5 所示，運(yùn)放位于芯片頂部，左右對(duì)稱分布。

圖5 音頻放大器整體版圖

4 芯片仿真及實(shí)測(cè)

提取版圖寄生參數(shù)后，選用Hspice 進(jìn)行后仿真，驗(yàn)證音頻放大器在揚(yáng)聲器模式下的功能。電源電壓設(shè)置為5 V，當(dāng)耳機(jī)未插入時(shí)，芯片BTL 端電壓設(shè)置為0 V，音頻放大器工作在橋式負(fù)載模式，輸入引腳VIN加上偏置電壓為2.6 V、信號(hào)幅值為1 mV 的正弦信號(hào)，觀察主運(yùn)放和從運(yùn)放的輸出波形。后仿真波形如圖6 所示，縱坐標(biāo)為電壓，主運(yùn)放、從運(yùn)放輸出相位相反、幅值大小相同的正弦波，加在負(fù)載2 端構(gòu)成橋式連接，運(yùn)放無(wú)失真地輸出幅值放大后為1 V 的波形，音頻放大器正常工作于揚(yáng)聲器模式。

圖6 音頻放大器揚(yáng)聲器模式后仿真輸出波形

根據(jù)耳機(jī)檢測(cè)模塊的工作原理，當(dāng)耳機(jī)插入后，BTL 端有電壓輸入，耳機(jī)檢測(cè)模塊輸出翻轉(zhuǎn)，輸出5 V的高電平，主運(yùn)放停止工作。當(dāng)耳機(jī)拔出，引腳無(wú)電壓輸入，輸出低電平，主運(yùn)放打開。測(cè)試時(shí)對(duì)芯片的BTL引腳電壓從0 V 掃描至5 V，再?gòu)? V 掃描至0 V，觀察邏輯模塊的輸出電壓，耳機(jī)檢測(cè)模塊實(shí)測(cè)波形如圖7 所示，翻轉(zhuǎn)閾值電壓為4.12 V，遲滯電壓為0.3 V，即當(dāng)模式切換時(shí)，若電壓高于4.12 V 耳機(jī)工作，若電壓低于3.82 V 揚(yáng)聲器工作，當(dāng)處于3.82～4.12 V 時(shí)維持上一狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)耳機(jī)和揚(yáng)聲器混響，仿真結(jié)果表明音頻放大器可檢測(cè)耳機(jī)的熱插拔，支持2 種模式正常切換。

圖7 耳機(jī)檢測(cè)模塊實(shí)測(cè)波形

同樣的電源電壓環(huán)境下，實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)比現(xiàn)有同類型芯片和近年相關(guān)論文研究結(jié)果，選擇流片工藝均為5 V BCD 工藝，音頻放大器主要參數(shù)如表2 所示。本研究設(shè)計(jì)的音頻放大器在揚(yáng)聲器輸出功率基本相同時(shí)，耳機(jī)模式靜態(tài)功耗低至32.5 mW，芯片在耳機(jī)模式下功耗顯著降低，同時(shí)總諧波失真滿足高品質(zhì)音效要求。

表2 音頻放大器主要參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

音頻放大器需兼容耳機(jī)和揚(yáng)聲器應(yīng)用模式，為降低耳機(jī)模式的功耗，基于AB 類放大器設(shè)計(jì)了可單運(yùn)放工作、同時(shí)支持揚(yáng)聲器負(fù)載的音頻放大器。改進(jìn)后的音頻放大器的功耗低至32.5 mW，在同樣的電源電壓環(huán)境下，揚(yáng)聲器輸出功率達(dá)到3 W，耳機(jī)負(fù)載可輸出功率達(dá)到0.15 W，同時(shí)全負(fù)載失真為0.02%，用在支持耳機(jī)的音頻電子設(shè)備中可顯著提升效率，具有良好的應(yīng)用前景。