音频功放ClassD和ClassAB漏音问题及解决

第１６卷第２期　北京电子科技学院学报　２００８年６月　Ｖｏ１．１６　Ｎｏ．２　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｅｌｒｃｔｒｏｎｉｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｊｕｎ．２００８　音频功放ＣｌａｓｓＤ和ＣｌａｓｓＡＢ漏音问题及解决　樊茂　（１．上海交通大学电子学院，上海：２００２４０；　２．苏州中科集成电路设计中心，江苏苏州：２１５０２１）　摘要：本文针对＂３今功率放大器Ｃｌ－ａｓｓＤ和ＣｌａｓｓＡＢ的一部分产品在静音模式时有声音放出的问题。进行了实际测量和理　论分析，找出问题所在，是静音时的用于短路的传输门的导通电阻过高，使原本应该为０的增益，变为０．３倍左右的增益。　通过改善传输门，使得漏音问题得到解决。通过实际流片得以验证。　关键词：音频功率放大；静音；漏音；传输门；开机噪声　中图分类号：ＴＮ７２２　文献标识码：　文章编号：１６７２—４６４Ｘ（２００８）０２—００８４—０３　Ａｕｄｉｏ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ＣｌａｓｓＤ　ａｎｄ　ＣｌａｓｓＡＢ　Ｌｅａｋｉｎｇ　Ｖｏｉｃｅ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｎｄ　Ｓｏｌｖｉｎｇ　ＭＡＯ　Ｆａｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏ　Ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００２４０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｕｚｈｏｕ　ＣＡＳ　ＩＣ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｕｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｓｕ，２１５０２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｌｅａｋｉｎｇ　ｖｏｉｃｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｎｄ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ａｕｄｉｏ　ａｍｐｌｉｉｆｅｒ　ｌｉｋｅ　ｃｌａｓｓＤ　ａｎｄ　ｃｌａｓｓＡＢ．Ｗｉｔｈ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ，ｆｉｎｄ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｍｕｔｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｔａｒｔ—ｕｐ，ｔｈｅ　ＭＵＸ　ｔｕｒｎ　ｏｎ　ｒｅｓｉｓｔ　ａｎｃｅ　ｉｓ　ｔｏｏ　ｈｉｇｈ．Ｉｔ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｇａｉｎ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｏ　Ａｖ＝０．３．ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　Ａｖ＝０　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＭＵＸ　ｃａｎ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｌｅａｋｉｎｇ　ｖｏｉｃｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ａｎｄ　ｉｔ　ｗａｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｂｙ　ｔａｐｉｎｇ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ｒｅａｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｄｉｏ　ａｍｐｌｉｉｆｅｒ（ｃｌａｓｓＤ　ａｎｄ　ｃｌａｓｓＡＢ）；ｍｕｔｅ；ｌｅａｋｉｎｇ　ｖｏｉｃｅ；ＭＵＸ；ｐｏｐ—ｎｉｏｓｅ　１引言　近年来，随着新一代的音频播放器的普及，３ｃ系统制造　厂对音频功率放大Ｉｃ的需求越来越大。国内的Ｉｃ设计公　司注意到这一块市场机会并开始从事音频Ｉｃ研发工作。目　前出于对低能耗的要求，尤其是手机常待机时间的考虑，　ＣｌａｓｓＤ的发展非常迅猛。但同时市场上众多扬声器仍偏向　于使用低成本、低失真和低噪声的ＡＢ类音频功率放大器。　图１静音电路局部结构图　所以导致ＣｌａｓｓＤ与ＣｌａｓｓＡＢ共存的现状。　Ｃｌａｓｓ　Ｄ与Ｃｌａｓｓ　ＡＢ都存在开机时出现开机噪声（ｐｏｐ—　如图２，当音频功放处于静音状态时，ＭＵＸ１和ＭＵＸ２处　ｎｏｉｓｅ）的情况。开机噪声是指对音频功放在上开机关机瞬间　于导通状态。将芯片外部的反馈电阻Ｒｆ短路（见图３）。　的不稳定而发出的爆破声音　生成开机噪声的瞬态冲击通　常是一种很窄的尖脉冲，经过傅立叶分析，其含有丰富的频　谱分量。为了消除开机噪声，音频功放常在开机关机瞬间引　入３０ｍＳ一２００ｍｓ左右的静音时间。　在３０ｍｓ一２００ｍｓ左右的静音时间内，不应该有声音放　出，即音频功放不应该有输出。　２音频功放漏音问题及解决　一　Ｉ　２．１音频功放静音原理　Ｉ　如图１，当ｂｙｐａｓｓ电位达到０．５ｖｄｄ后，通过ＳＤＣＴＬ４控　Ｉ　Ｉ　制信号启动震荡器，震荡周期在１５ｕｓ左右频率为６６．７ＫＨｚ，　Ｉ．．．————————————　ｌ　震荡器的输出经过Ｄ触发器（ＤＦＦ）２０４８倍的分频，最终得　—Ｊ　到３０ｍｓ的静音时间。　图２音频功放结构图　收稿日期：２００８—０３—２４　第１６卷　樊茂音频功放ＣｌａｓｓＤ和ＣｌａｓｓＡＢ漏音问题及解决　・８５・　图３音频功放仿真环境　根据运放的增益表达式１　ＲｆＡ　：　，　（１）　可得当Ｒ，＝０时Ａ　＝０。此时电路处于静音状态。　２．２一部分音频功放产品在静音时出现漏音的情况　一部分音频功放在低电压．．如Ｖｄｄ＝３Ｖ时，静音状态下　同样有声音输出。对产品的功能造成很大影响。如图４　图４存在漏音问题的单端输出　且双端输出的漏音峰峰值为４００ｍＹ左右，完全能被人　耳察觉。　２．３音频功放产品在静音时出现漏音的原因分析　根据分析，产生漏音的原因是由于，在Ｖｄｄ＝３Ｖ时，传　输门ＭＵＸ１和ＭＵＸ２的输入输出端均为０．５Ｖｄｄ及１．５Ｖ。　而此时的ＰＭＯＳ的栅为０Ｖ，ＮＭＯＳ的栅为３Ｖ。Ｖｇｓｎ＝１．５Ｖ，　Ｖｇｓｐ＝１．５Ｖ如图５所示。　图５　ＭＵＸ的结构图　由于衬底偏置效应：根据衬底偏置效应公式：　ＶＴＨ＝Ｖ咖＋　（ｖ／］　一ｖ／］　）…　（２）　在ＳＭＩＣ０．３５ｕｍ的工艺下，可得Ｖｔｈｎ＝１．３６Ｖ，Ｖｔｈｐ＝１．４２Ｖ。　由工作在深三极管区也就是线性区，这个状态下ＭＯＳ管的　输出电阻Ｒｄｓ，它的公式：　Ｒ。＝　—　詈（Ｖ一铝一ＶＴＨ）　　（３）　可得Ｒｏｎ＝９．５　ＫＱ，Ｒｏｐ＝１８．３ＫＱ。　又由　Ｒｆ＝Ｒｆ　ｌ　ｌＲ。　ｆｆ　Ｒ。　（４）　乜　可得Ｒｆ’＝５ＫＱ，将Ｒｆ’带入Ａ　＝一　１１．ｉ　可得Ａｖ＝一０．２５。进一步得出双端输出的漏音峰峰值　为：３８０ｍＶ，与观测值很接近。从而进一步加强了推测的可　信度。　２．３音频功放产品在静音时出现漏音的问题的解决。　根据分析，在　Ｒ。：———　—一　ＩｘｎＣｏｘ半（ＶＧｓ—ＶＴＨ）　中影响ＭＵＸ的的导通电阻的因素有：Ｕｎ，Ｃｏｘ，Ｗ／Ｌ和　（Ｖｇｓ—Ｖｔｈ）　。其中Ｕｎ，Ｃｏｘ由工艺决定，修改的难度较　大。另外由于ＭＵＸ的应用环境使得Ｖｄｄ：３Ｖ时Ｖｇｓ＝１．５Ｖ　不可改变，Ｖｔｈ又由工艺决定，修改的难度较大。所以（Ｖｇｓ　—Ｖｔｈ）项更难提高。比较可行的办法是修改Ｗ／Ｌ这一项，　考虑到ＮＭＯＳ的ｕｎ和（Ｖｇｓ—Ｖｔｈ）均高于ＰＭＯＳ，所以增大　ＮＭＯＳ的Ｗ／Ｌ更有利于减小　，［。］　．将原来的ＮＭＯＳ的参数Ｗ＝１６ｕｍ，Ｌ＝０．５ｕｍ。ｍｕｌ：　１和ＰＭＯＳ的参数Ｗ＝１６ｕｍ，Ｌ＝０．５ｕｒｎ，ｍｕｌ＝２．分别改为　ＮＭＯＳ：Ｗ＝１６ｕｍ，Ｌ＝０．５ｕｒｎ，ｍｕｌ：３６，ＰＭＯＳ：Ｗ＝１６ｕｒｎ，　Ｌ＝０．５ｕｍ，ｍｕｌ＝１．其中减小ＰＭＯＳ的ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ是因为　ＰＭＯＳ对提降低ＭＵＸ的导通电阻贡献不大，又由于提高了　ＮＭＯＳ的ｍｕｌｉｔｐｌｉｅｒ使得ＭＵＸ所占面积有所增加，所以相应　的减小ＰＭＯＳ的ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ，以补偿一部分面积。　・８６・　北京电子科技学院学报　２００８矩　分析了静音原理和静音时出现漏音的问　根据式（３），可得修改后的Ｒｏｎ＝２６０Ｏｈｍ，Ｒｏｐ＝３６．　的问题进行了介绍，６ＫＯｈｍ。又根据式（４）可得Ｒｆ’＝２５０Ｏｈｍ．根据式（１）可得　题的原因，推导了ＭＵＸ的导通电阻，漏音的增益和输出幅　Ａｖ＝一０．０１２。所以双端输出的漏音峰峰值为＝１８ｍＶ。人　度。对出现漏音的问题的原因进行了理论分析，结果表明出　耳能觉察到的最小声音的振幅峰峰值为５０　ｍＶ　，１８ｍＶ已　现漏音的问题的原因是ＭＵＸ的导通电阻过高所致，而ＭＵＸ　经小于这一临界值。到此漏音问题已经得到修改。　导通电阻过高是因为ＭＯＳ处在低压工作环境，Ｖｄｓａｔ过低所　２．４静音时出现漏音的问题的修改后的实际投片效果。　致同时Ｗ／Ｌ偏小。得到的实测结果和理论分析相一致。针　通过在相同的工艺线ＳＭＩＣ的０．５的线上再次投片，在　对静音时出现漏音的问题，修改了ＭＵＸ中ＮＭＯＳ和ＰＭＯＳ　的Ｗ／Ｌ．降低了总的ＭＵＸ的导通电阻，减小负反馈增益，最　相同的环境下实测修改后的芯片的输出波形。如图６　终大幅减小漏音。实际投片结果表明漏音峰峰值由原来的　３８０ｍＶ减小到１２ｍＶ，达到低于５０ｍＶ的要求．有效的解决了　图６不存在漏音问题的单端输出　原先漏音的部分，已经看不到有波形漏出。经测量峰峰　值为１２ｍＶ．与理论推导相一致。实际用耳朵试听也觉察不　到有异样声音漏出。至此２．３音频功放产品在静音时出现　漏音的问题得到解决。　３结论　本文针对音频功放产品在静音原理和静音时出现漏音　静音时出现漏音的问题。　参考文献　［１］Ｒａｚａｖｉ　Ｂ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａｎａｌｏｇ　ＣＭＯＳ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｍ］．　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌｌ　Ｃｏｍｐａｎｉｅｓ，Ｉｎｃ，２００１：３１２—　３１４．　［２］Ｄ．Ａ．Ｊｏｈｎｓ　ａｎｄ　Ｋ．Ｍａｒｔｉｈ，“Ａｎａｌｏｇ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｄｅ—　ｓｉｇｎ，”Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ，２００６．　［３］Ｐ．Ｅ．Ａｌｌｅｎ　ａｎｄ　Ｄ．Ｒ．Ｈｏｌｂｅｒｇ　ＣＭＯＳ　Ａｎａｌｏｇ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｄｅ—　ｓｉｇｎ［Ｍ］．Ｑｘｆｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，Ｓｅｃｏｎｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，２００５：　［４］Ｄ．Ａ．Ｎｅａｍｅｎ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｄｅｖｉｃｅ［Ｍ］．　Ｔｈｉｒｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，ＭｃＧｒａｗ　Ｈｉｌｌ，２００３．　作者简介：　樊茂（１９８２一）男，重庆人，硕士研究生、工程师。主要研究方　向：微电子３ｃ消费类电子、音频放大器、电源管理等。