0 引言

    隨著多媒體便攜設(shè)備的普及，音頻功放已經(jīng)成為音頻部分的標(biāo)準(zhǔn)配置，用戶(hù)不再滿(mǎn)足于響亮地播放個(gè)性化的音樂(lè)，繼而對(duì)音頻功放提出了更高的要求^[1]：高效率以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)提供完美音質(zhì)，穩(wěn)定的輸出功率以確保揚(yáng)聲器不受損壞。便攜式設(shè)備的音頻應(yīng)用中，輸入信號(hào)過(guò)大或電池電壓下降等因素都會(huì)導(dǎo)致音頻放大器的輸出信號(hào)發(fā)生不希望的破音失真，并且過(guò)載的信號(hào)會(huì)對(duì)揚(yáng)聲器造成永久性損傷。集成了電荷泵架構(gòu)的K類(lèi)音頻功率放大器^[2]，為內(nèi)部功放電路提供高壓電壓軌，允許功放在鋰電池電壓范圍內(nèi)提供更大的輸出動(dòng)態(tài)范圍。防破音控制系統(tǒng)則通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)前置放大器的輸出幅度，根據(jù)門(mén)限閾值電壓自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)增益，使得輸出音頻信號(hào)保持圓潤(rùn)光滑。帶防破音控制的K類(lèi)音頻功放不僅保證了電池電壓下降時(shí)，功放仍然能夠輸出足夠大的功率，同時(shí)確保在電池電壓較高時(shí)，有效控制輸出功率大小，避免了大功率過(guò)載輸出對(duì)喇叭的損壞^[3]，在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)帶來(lái)高品質(zhì)的音樂(lè)播放效果。

1 電路原理

    K類(lèi)音頻功率放大器集成K-charge pump電荷泵架構(gòu)，為內(nèi)部功放電路提供1.5倍電池電壓的高壓電壓軌。本文提出的防破音控制系統(tǒng)用于此K類(lèi)音頻功放，控制功放在較寬的輸入范圍以及整個(gè)鋰電池電壓范圍內(nèi)，輸出不失真且恒定功率輸出。防破音控制系統(tǒng)如圖1所示，包括一個(gè)電平比較器、增益控制模塊和兩個(gè)電阻盒模塊。電平比較器的兩個(gè)輸入端分別輸入前置放大器的輸出信號(hào)和預(yù)先設(shè)置的門(mén)限閾值電壓（V_REF），電平比較器對(duì)輸入的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較，輸出一個(gè)控制信號(hào)至增益控制模塊。增益控制模塊根據(jù)輸入的控制信號(hào)判斷是否進(jìn)行增益控制，增益控制模塊的輸出端作為電阻盒模塊的控制信號(hào)。該防破音控制系統(tǒng)采用了電平比較器，可以最大程度的滿(mǎn)足較小輸入信號(hào)的放大，適時(shí)衰減較大輸入信號(hào)增益；線性度好，不會(huì)引入額外的非線性失真^[4]；可控性強(qiáng)，通過(guò)調(diào)整預(yù)先設(shè)置的門(mén)限閾值電壓改變起控電平，控制最大輸出功率；調(diào)整增益控制模塊中時(shí)間設(shè)置單元的參數(shù)可以靈活改變?cè)鲆婵刂频膯?dòng)時(shí)間（Attack Time）和釋放時(shí)間（Release Time）^[5]，以更好地適應(yīng)被處理聲音信號(hào)的種類(lèi)，獲得理想的效果。

2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 電平比較模塊

    電平比較模塊實(shí)際由兩個(gè)相同的比較器檢測(cè)前置放大器的輸出信號(hào)幅度，分別與正閾值電壓V_REF+和負(fù)閾值電壓V_REF-比較，如圖2所示。當(dāng)輸出信號(hào)幅度高于正閾值電壓或低于負(fù)閾值電壓時(shí)，比較器的輸出為高；反之輸出為低。比較器輸出與信號(hào)幅度和閾值電壓的關(guān)系可以表示為：

2.2 增益控制模塊

    增益控制模塊主要由啟動(dòng)時(shí)間控制電路、釋放時(shí)間控制電路、可逆加減法器電路和譯碼電路組成。圖3為該自動(dòng)增益控制模塊的模塊原理圖。該模塊的主要工作為：根據(jù)比較器提供的音頻信號(hào)幅度信息，進(jìn)行增益控制的邏輯綜合。當(dāng)電平比較器檢測(cè)到前置放大器的輸出信號(hào)幅度超過(guò)閾值電壓(V_AGC=1)，則壓縮時(shí)間控制電路開(kāi)始工作，輸出壓縮時(shí)鐘T₁至增益加減法器，開(kāi)始逐級(jí)壓縮增益，直至前置放大器的輸出幅度被壓縮至正負(fù)閾值范圍內(nèi)停止壓縮。從V_AGC=1到壓縮功能全部展開(kāi)的時(shí)間即為啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)時(shí)間的一般設(shè)計(jì)值為1~100 ms；當(dāng)電平比較器檢測(cè)到前置放大器的輸出信號(hào)幅度小于閾值電壓(V_AGC=0)的時(shí)間超過(guò)T₂(T₂>>T₁) ，需要減小衰減幅度，則釋放時(shí)間控制電路開(kāi)始工作，輸出釋放增益時(shí)鐘T₂至增益加減法器，開(kāi)始逐級(jí)釋放增益，直到K類(lèi)功放的增益恢復(fù)到合適的值。從V_AGC=0到增益完全釋放的時(shí)間即為釋放時(shí)間，釋放時(shí)間的一般設(shè)計(jì)值為20 ms~5 s。圖4為壓縮/釋放時(shí)序特點(diǎn)示意圖。

    增益加減法器的輸出送至譯碼器譯碼后輸出N位增益選擇信號(hào)（N為可供選擇的增益階數(shù)），分配輸出電阻和反饋電阻的大小，并且每時(shí)每刻該增益選擇模塊的N位增益選擇信號(hào)中只有一位有效（高電平有效）。例如第M位選擇信號(hào)為高時(shí)增益為：

由式(2)可知，在檢測(cè)信號(hào)幅度的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)幅度大于閾值電壓時(shí)，增益選擇信號(hào)的上調(diào)引起反饋電阻的減小和輸入電阻的增加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前置放大器增益的下調(diào)。反之，實(shí)現(xiàn)前置放大器增益的釋放。因此，防破音控制系統(tǒng)的添加實(shí)現(xiàn)了前置放大器增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證放大器在較寬的音頻輸入范圍內(nèi)正常工作，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)功耗小，參數(shù)設(shè)置靈活。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

    集成了防破音控制系統(tǒng)的2.0 W單聲道K類(lèi)音頻功放，采用0.5 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。圖5為該芯片的照片。

    對(duì)封裝好的樣品進(jìn)行測(cè)試，圖6給出了當(dāng)電源電壓為4.2 V時(shí)，4 Ω喇叭負(fù)載，增益設(shè)置為24 dB，輸入1 kHz頻率信號(hào)時(shí)，該K類(lèi)音頻功放的總諧波失真與噪聲（THD+N）及輸出功率P_O隨輸入動(dòng)態(tài)范圍變化的測(cè)試結(jié)果。其中圖6(a)為未啟動(dòng)防破音控制功能時(shí)的測(cè)試結(jié)果，圖6(b)為啟動(dòng)防破音控制功能時(shí)的測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，啟動(dòng)防破音控制以后，K類(lèi)音頻功放在輸入動(dòng)態(tài)范圍為0~1.2 Vrms的范圍內(nèi)，能保持較低的THD+N，即(THD+N)<0.5%；且在0.26~1.2 Vrms的輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保持恒定2 W的輸出功率。而未啟動(dòng)防破音控制電路時(shí)，輸入動(dòng)態(tài)范圍在0.3 Vrms左右時(shí)THD+N就達(dá)到10%，且輸出功率在0.4 Vrms時(shí)達(dá)到了3 W，容易造成過(guò)載，損壞喇叭。因此，本文提出的防破音控制系統(tǒng)能保證K類(lèi)音頻功放在較低的THD+N和恒定輸出功率的情況下, 增大其輸入動(dòng)態(tài)范圍。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種可用于K類(lèi)音頻放大器的防破音控制系統(tǒng)。集成該防破音控制系統(tǒng)的2.0 W K類(lèi)音頻功放，已經(jīng)采用0.5 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)本文提出的防破音控制系統(tǒng)，可以在保證K類(lèi)音頻功放在較大的輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，保持較低的THD+N，即在0~1.2 Vrms的輸入動(dòng)態(tài)范圍里保持(THD+N)<0.5%，恒定輸出功率2.0 W，有效避免了過(guò)載對(duì)喇叭的破壞，大大提高了輸出音質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1] KRITS，AMRANIH，QJIDAAH，et al.Class D audio amplifier design theory and design implementation for portable applications[C].Computational Intelligence and Intelligent Informatics，ISCIII，2007：239-245.

[2] Nam-Sung Jung，Nam-In Kim，Gyu-Hyeong Cho.A new high-efficiency and super-fidelity analog audio amplifier with the aid of digital switching amplifier：class K amplifier[C].Power Electronics Specialists Conference，1998.PESC 98 Record.29th Annual IEEE，1998，1：457-463.

[3] 王伯禹.如何為手機(jī)等便攜設(shè)備選擇合乎要求的音頻功放[J].集成電路應(yīng)用，2010(2).

[4] Meng Tong Tan，Chang J S，Hock Chuan Chua，et al.An investigation into the parameters affecting total harmonic distortion in low-voltage low-power Class-D amplifiers.Circuits and Systems I，IEEE，2003：1304-1315.

[5] Nauta，Henk C，Nordholt，Ernst H.High-performance audio amplifier with AGC control and signal clipping for portable military radio[C].Solid-State Circuits Conference，1986.ESSCIRC '86，1986：89-91.