低EMID類音頻功放電路關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、D類音頻放大器由于具有高效率、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在PDA、手機(jī)和MP3等便攜式設(shè)備中。但是其獨(dú)特的開關(guān)特性會產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt信號且具有較寬的干擾帶寬，這些電壓和電流脈沖會分別在物理和寄生的電路元件中引入大的交流電流，產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射噪聲。因此在電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)（如美國的 FCC標(biāo)準(zhǔn)和歐洲的CE標(biāo)準(zhǔn)）日益苛刻的今天，D類功放的應(yīng)用范圍受到了極大的挑戰(zhàn)。如何解決存在的EMI問題，已經(jīng)越來越多地受到人們的重視。
　　相比

2、傳統(tǒng)的PCB板級優(yōu)化技術(shù)，從發(fā)生源出發(fā)的電路設(shè)計方法對減小電磁干擾、節(jié)約板級空間更具有實(shí)用價值。其中擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)已經(jīng)被廣泛地研究以克服濾波器解決方案中存在的問題，然而設(shè)計復(fù)雜程度、功耗、效率以及芯片成本等因素限制了這些方法的應(yīng)用；同時對于 D類功放而言，擴(kuò)頻調(diào)制引入的總諧波失真和效率衰減也是需要面臨的主要問題。此外，當(dāng)設(shè)備工作在無任何外部濾波以及接有較長揚(yáng)聲器連線的情況下，當(dāng)輸出功率較高時，即便是只有幾英寸的喇叭連線，也會輻射出很高的能

3、量，從而嚴(yán)重威脅著EMI性能。這時簡單地改變時鐘頻率已經(jīng)不太有效，而是需要優(yōu)化柵驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，改變放大器自身的PWM波形，但是電路復(fù)雜程度和由更多功率MOSFET貢獻(xiàn)的芯片面積將會增加。
　　本文對比分析了目前報道的先進(jìn)成果，充分考慮電路難度和設(shè)計成本、性能之間的折中，針對低EMI、無輸出濾波D類功放電路與系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，包括高精度帶隙基準(zhǔn)曲率補(bǔ)償、數(shù)字時鐘擴(kuò)頻降低傳導(dǎo)EMI和功率輸出級低EMI柵驅(qū)動電路等內(nèi)容，提出了無阻式曲

4、率補(bǔ)償、偽隨機(jī)擴(kuò)頻等關(guān)鍵技術(shù)和零死區(qū)電流源柵驅(qū)動電路架構(gòu)，主要創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾方面：
　　1.基于帶隙基準(zhǔn)溫度補(bǔ)償?shù)幕纠碚?，提出了無阻式曲率補(bǔ)償技術(shù)（Non-resistor compensation technique,NRCT,IEEE Trans. Circuits Syst.II,2010,pp.767-771），電路利用電流減法器和跨導(dǎo)線性電路產(chǎn)生高階溫度系數(shù)的正溫電流對BE結(jié)非線性溫度特性進(jìn)行直接補(bǔ)償，相比之前報道的

5、無阻式一階補(bǔ)償結(jié)構(gòu)極大降低了溫度系數(shù)。該技術(shù)在0.5μm CMOS工藝平臺上通過流片驗證，芯片面積為500×200μm2，電源電壓3.6V下的功耗僅為0.648mW，溫度系數(shù)為11.8ppm/℃，低頻下的電源抑制比大于31dB。同時針對分段式補(bǔ)償技術(shù)，提出了基于PN結(jié)反偏電流（基準(zhǔn)溫度系數(shù)為2.8ppm/℃）和利用可變增益電流鏡及二次校正方法（基準(zhǔn)溫度系數(shù)為1.3ppm/℃）的兩種補(bǔ)償架構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了具有極低溫漂的高精度電壓帶隙基準(zhǔn)源。

6、
　　2.基于擴(kuò)頻調(diào)制的基本原理，對比分析了周期調(diào)制和隨機(jī)調(diào)制的擴(kuò)頻效果，提出利用線性反饋移位寄存器的偽隨機(jī)調(diào)制技術(shù)（Pseudorandom modulation, PRM, IEEE Trans. Power Electron.,2011,pp.638-646）來最大幅度地降低EMI；同時針對擴(kuò)頻電路可能惡化音頻性能的危險，對關(guān)鍵子電路和采用多重濾波器的系統(tǒng)環(huán)路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。該技術(shù)在0.5μm CMOS工藝平臺上通過流片驗證

7、，低功耗擴(kuò)頻時鐘電路面積為191×251μm2，占整個芯片尺寸的2％，電源電壓3.6V下的最大功耗僅為10.08μW。20%頻偏時中心頻率處的能量峰值比無擴(kuò)頻模式的 D類功放衰減了12dB，無輸出濾波器條件下能夠在很大頻率范圍內(nèi)滿足FCC Class B的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)。
　　3.依據(jù)H橋功率輸出級EMI的主要來源，詳細(xì)探討了D類功放低EMI柵驅(qū)動電路的典型結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方案，設(shè)計了一種低功耗電流源柵驅(qū)動電路（ Current sour

8、ce gate driver，CSGD），通過優(yōu)化功率管柵驅(qū)動的充放電斜率和死區(qū)時間，從發(fā)生源進(jìn)一步抑制高頻EMI輻射；同時針對CSGD對總諧波失真（THD）有所惡化的危險，提出了一種帶前饋控制的雙環(huán)負(fù)反饋高增益環(huán)路架構(gòu)，使 D類功放系統(tǒng)具有良好的THD和PSRR性能。該技術(shù)在0.6μm BCD工藝平臺上通過仿真驗證，與傳統(tǒng)驅(qū)動電路相比高頻能量輻射衰減幅度達(dá)20dB以上，當(dāng)輸入音頻信號頻率在10kHz以內(nèi)變化時THD小于0.5%，仿真實(shí)