小功率型音頻子系統(tǒng)噪聲抑制技術(shù)的研究.pdf

1、集D類放大器、線性放大器、音量控制和音效增強(qiáng)等多種功能單元于一體的小功率型音頻子系統(tǒng)芯片愈來愈受歡迎，開始廣泛地應(yīng)用于移動(dòng)通信、多媒體裝置等便攜式設(shè)備中。隨著便攜式設(shè)備的小型化和輕薄化，芯片向多功能、高密度的集成趨勢(shì)發(fā)展，同時(shí)也導(dǎo)致了嚴(yán)重的噪聲問題，降低了音頻信號(hào)的質(zhì)量。目前，噪聲抑制技術(shù)的研究主要側(cè)重于功能單元級(jí)，鮮有音頻子系統(tǒng)級(jí)的考慮，且其抑制效果也有待于進(jìn)一步提高。
　　本論文對(duì)小功率型音頻子系統(tǒng)的噪聲抑制技術(shù)進(jìn)行研究，包括

2、宏觀可聞噪聲、本底噪聲和電源噪聲的抑制技術(shù)。在分析上述噪聲產(chǎn)生機(jī)理的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)、電路、布圖和PCB設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的噪聲抑制技術(shù)，并通過軟件仿真和芯片實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。本論文提出的噪聲抑制技術(shù)有效地消除了可聞噪聲，降低了本底噪聲和電源噪聲，具體創(chuàng)新如下：
　　1.在小功率型音頻子系統(tǒng)的宏觀噪聲抑制中提出虛擬開關(guān)技術(shù)（Dummy Switch Technology, DST）和跨零自動(dòng)增益控制技術(shù)（Zero Cr

3、ossing Auto Gain Control, ZAGC）。虛擬開關(guān)技術(shù)在音頻子系統(tǒng)的輸入級(jí)引入虛擬輸入開關(guān)以提高輸入級(jí)對(duì)輸入電容的充電速度并校正輸入電容電壓與參考電壓之間的誤差，在調(diào)制級(jí)引入虛擬反饋開關(guān)以模擬調(diào)制級(jí)的啟動(dòng)過程，從而抑制了啟動(dòng)過程中的POP噪聲并大大減少了啟動(dòng)時(shí)間。跨零自動(dòng)增益控制技術(shù)根據(jù)音頻信號(hào)的幅度自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)增益，以避免因輸出信號(hào)被削波而導(dǎo)致破音噪聲，并在音頻信號(hào)跨零時(shí)刻使能增益變化，以避免因音頻信號(hào)瞬態(tài)變化而

4、導(dǎo)致爆音噪聲。通過0.6μm Bi-CMOS工藝平臺(tái)流片驗(yàn)證，上述兩項(xiàng)技術(shù)可以有效地消除小功率型音頻子系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行過程中的可聞噪聲。
　　2.在小功率型音頻子系統(tǒng)的本底噪聲抑制中設(shè)計(jì)了一種采用集成有源濾波器的D類放大器。使用工作于線性區(qū)的MOS器件實(shí)現(xiàn)300Meg?的有源電阻，使用約0.1mm2的布圖面積實(shí)現(xiàn)160pF的集成電容，從而獲得具有3Hz截止頻率的有源濾波器。采用該有源濾波器降低 D類放大器參考信號(hào)的熱噪聲，并在后端設(shè)

5、計(jì)中通過布圖隔離和襯底隔離以減小襯底噪聲，布線隔離以減小交調(diào)失真，匹配性設(shè)計(jì)以增強(qiáng)電源抑制能力。通過0.6μm Bi-CMOS工藝平臺(tái)流片驗(yàn)證，測(cè)試表明采用集成有源濾波器的D類功率放大器具有0.08％的諧波失真，90dB的交調(diào)失真抑制比、72dB的電源抑制比和88dB的信噪比，與采用外置濾波器的D類功率放大器具有相似的性能。
　　3.在小功率型音頻子系統(tǒng)的線性驅(qū)動(dòng)器噪聲抑制中提出采用NMOS LDO抑制電源噪聲的技術(shù)。NMOS L

6、DO采用NMOS器件作為導(dǎo)通元件，在無需外部大電容補(bǔ)償?shù)那闆r下，為線性放大器提供低噪聲的正電源。同時(shí)，本論文還設(shè)計(jì)了低噪聲、低靜態(tài)功耗以及寬擺幅的AB類線性放大器，其輸入級(jí)采用斬波技術(shù)以降低失調(diào)電壓和1/f噪聲，其輸出級(jí)采用偏置電流控制技術(shù)以降低待機(jī)功耗，采用軌對(duì)軌的輸入輸出\結(jié)構(gòu)以增大輸入輸出信號(hào)的擺幅。通過1.2μm BCD工藝平臺(tái)流片驗(yàn)證，測(cè)試表明該線性驅(qū)動(dòng)器具有88dB電源抑制比，將輸出信號(hào)的噪聲和失調(diào)電壓分別降低至7μV和1m

7、V。
　　4.在小功率型音頻子系統(tǒng)的EMI噪聲抑制中設(shè)計(jì)了一款隨機(jī)擴(kuò)頻調(diào)制的低EMI D類放大器。設(shè)計(jì)了基于數(shù)模混合控制的隨機(jī)時(shí)鐘電路為D類放大器提供隨機(jī)采樣信號(hào)，將集中于固定頻率點(diǎn)處的能量擴(kuò)展并隨機(jī)分布到附近頻率點(diǎn)，從而降低開關(guān)信號(hào)的EMI。通過0.6μm Bi-CMOS工藝平臺(tái)流片驗(yàn)證，隨機(jī)時(shí)鐘電路面積為0.05mm2，占整個(gè)芯片面積的2.2%。隨機(jī)擴(kuò)頻調(diào)制的低EMI D類放大器的開關(guān)信號(hào)在中心頻率處的能量峰值比無擴(kuò)頻模式的