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(huì)產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt信號(hào)且具有較寬的干擾帶寬，這些電壓和電流脈沖會(huì)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(guó)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(wèn)題，已經(jīng)越來(lái)越多地受到人們的重視。
　　相比

2、傳統(tǒng)的PCB板級(jí)優(yōu)化技術(shù)，從發(fā)生源出發(fā)的電路設(shè)計(jì)方法對(duì)減小電磁干擾、節(jié)約板級(jí)空間更具有實(shí)用價(jià)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(wèn)題，然而設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)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(wèn)題。此外，當(dāng)設(shè)備工作在無(wú)任何外部濾波以及接有較長(zhǎng)揚(yáng)聲器連線的情況下，當(dāng)輸出功率較高時(shí)，即便是只有幾英寸的喇叭連線，也會(huì)輻射出很高的能

3、量，從而嚴(yán)重威脅著EMI性能。這時(shí)簡(jiǎn)單地改變時(shí)鐘頻率已經(jīng)不太有效，而是需要優(yōu)化柵驅(qū)動(dòng)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(huì)增加。
　　本文對(duì)比分析了目前報(bào)道的先進(jìn)成果，充分考慮電路難度和設(shè)計(jì)成本、性能之間的折中，針對(duì)低EMI、無(wú)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(shí)鐘擴(kuò)頻降低傳導(dǎo)EMI和功率輸出級(jí)低EMI柵驅(qū)動(dòng)電路等內(nèi)容，提出了無(wú)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(dòng)電路架構(gòu)，主要?jiǎng)?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(wú)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(duì)BE結(jié)非線性溫度特性進(jìn)行直接補(bǔ)償，相比之前報(bào)道的

5、無(wú)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(tái)上通過(guò)流片驗(yàn)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(shí)針對(duì)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?cè)鲆骐娏麋R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(duì)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(lái)最大幅度地降低EMI；同時(shí)針對(duì)擴(kuò)頻電路可能惡化音頻性能的危險(xiǎn)，對(duì)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(jì)。該技術(shù)在0.5μm CMOS工藝平臺(tái)上通過(guò)流片驗(yàn)證

7、，低功耗擴(kuò)頻時(shí)鐘電路面積為191×251μm2，占整個(gè)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(shí)中心頻率處的能量峰值比無(wú)擴(kuò)頻模式的 D類功放衰減了12dB，無(wú)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(jí)EMI的主要來(lái)源，詳細(xì)探討了D類功放低EMI柵驅(qū)動(dòng)電路的典型結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)了一種低功耗電流源柵驅(qū)動(dòng)電路（ Current sour

8、ce gate driver，CSGD），通過(guò)優(yōu)化功率管柵驅(qū)動(dòng)的充放電斜率和死區(qū)時(shí)間，從發(fā)生源進(jìn)一步抑制高頻EMI輻射；同時(shí)針對(duì)CSGD對(duì)總諧波失真（THD）有所惡化的危險(xiǎn)，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(tái)上通過(guò)仿真驗(yàn)證，與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(hào)頻率在10kHz以內(nèi)變化時(shí)THD小于0.5%，仿真實(shí)