王紹清，葉春暉，胡養(yǎng)聰

(矽恩微電子廈門有限公司，福建 廈門 361005）

K類音頻功放的防破音控制系統(tǒng)

王紹清，葉春暉，胡養(yǎng)聰

(矽恩微電子廈門有限公司，福建 廈門 361005）

設(shè)計實現(xiàn)了一種可用于K類音頻功放的防破音控制系統(tǒng)，通過自動檢測輸出削波失真調(diào)整系統(tǒng)增益，確保K類音頻功放在較大的輸入動態(tài)范圍內(nèi)，輸出音頻信號光滑無失真。確保K類音頻功放在整個工作電壓內(nèi)保持低諧波失真，且保持恒定輸出功率。采用0.5μm CMOS工藝實現(xiàn)了集成這種防破音控制系統(tǒng)的 2.0 W單聲道 K類音頻功放。測試結(jié)果顯示，在3.3 V～4.2 V電源電壓范圍、增益設(shè)置為24 dB、4Ω喇叭負載下，該K類音頻功放能夠在0～1.2 Vrms的動態(tài)輸入范圍內(nèi)保持低諧波失真(THD+N)<0.5%，恒定無削波輸出功率 2.0 W。

防破音控制；K類音頻功放；輸入動態(tài)范圍；總諧波失真

0　引言

隨著多媒體便攜設(shè)備的普及，音頻功放已經(jīng)成為音頻部分的標準配置，用戶不再滿足于響亮地播放個性化的音樂，繼而對音頻功放提出了更高的要求[1]：高效率以延長電池的使用時間，在整個工作電壓范圍內(nèi)提供完美音質(zhì)，穩(wěn)定的輸出功率以確保揚聲器不受損壞。便攜式設(shè)備的音頻應(yīng)用中，輸入信號過大或電池電壓下降等因素都會導(dǎo)致音頻放大器的輸出信號發(fā)生不希望的破音失真，并且過載的信號會對揚聲器造成永久性損傷。集成了電荷泵架構(gòu)的 K類音頻功率放大器[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)提供更大的輸出動態(tài)范圍。防破音控制系統(tǒng)則通過檢測系統(tǒng)前置放大器的輸出幅度，根據(jù)門限閾值電壓自動調(diào)整系統(tǒng)增益，使得輸出音頻信號保持圓潤光滑。帶防破音控制的K類音頻功放不僅保證了電池電壓下降時，功放仍然能夠輸出足夠大的功率，同時確保在電池電壓較高時，有效控制輸出功率大小，避免了大功率過載輸出對喇叭的損壞[3]，在整個工作電壓范圍內(nèi)帶來高品質(zhì)的音樂播放效果。

1　電路原理

K類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類音頻功放，控制功放在較寬的輸入范圍以及整個鋰電池電壓范圍內(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，包括一個電平比較器、增益控制模塊和兩個電阻盒模塊。電平比較器的兩個輸入端分別輸入前置放大器的輸出信號和預(yù)先設(shè)置的門限閾值電壓（VREF），電平比較器對輸入的兩個信號進行比較，輸出一個控制信號至增益控制模塊。增益控制模塊根據(jù)輸入的控制信號判斷是否進行增益控制，增益控制模塊的輸出端作為電阻盒模塊的控制信號。該防破音控制系統(tǒng)采用了電平比較器，可以最大程度的滿足較小輸入信號的放大，適時衰減較大輸入信號增益；線性度好，不會引入額外的非線性失真[4]；可控性強，通過調(diào)整預(yù)先設(shè)置的門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間設(shè)置單元的參數(shù)可以靈活改變增益控制的啟動時間（Attack Time）和釋放時間（Release Time）[5]，以更好地適應(yīng)被處理聲音信號的種類，獲得理想的效果。

圖1　防破音控制系統(tǒng)原理圖

2　電路實現(xiàn)

2.1電平比較模塊

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

圖2　電平比較器原理圖

2.2增益控制模塊

增益控制模塊主要由啟動時間控制電路、釋放時間控制電路、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幅度信息，進行增益控制的邏輯綜合。當電平比較器檢測到前置放大器的輸出信號幅度超過閾值電壓(VAGC=1)，則壓縮時間控制電路開始工作，輸出壓縮時鐘T1至增益加減法器，開始逐級壓縮增益，直至前置放大器的輸出幅度被壓縮至正負閾值范圍內(nèi)停止壓縮。從 VAGC=1到壓縮功能全部展開的時間即為啟動時間，啟動時間的一般設(shè)計值為1～100 ms；當電平比較器檢測到前置放大器的輸出信號幅度小于閾值電壓(VAGC=0)的時間超過 T2(T2＞＞T1)，需要減小衰減幅度，則釋放時間控制電路開始工作，輸出釋放增益時鐘T2至增益加減法器，開始逐級釋放增益，直到 K類功放的增益恢復(fù)到合適的值。從VAGC= 0到增益完全釋放的時間即為釋放時間，釋放時間的一般設(shè)計值為20 ms～5 s。圖4為壓縮/釋放時序特點示意圖。

圖3　增益控制模塊原理圖

圖4　壓縮/釋放時序特點示意圖

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（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，并且每時每刻該增益選擇模塊的N位增益選擇信號中只有一位有效（高電平有效）。例如第M位選擇信號為高時增益為：

由式(2)可知，在檢測信號幅度的過程中，當輸出信號幅度大于閾值電壓時，增益選擇信號的上調(diào)引起反饋電阻的減小和輸入電阻的增加，進而實現(xiàn)前置放大器增益的下調(diào)。反之，實現(xiàn)前置放大器增益的釋放。因此，防破音控制系統(tǒng)的添加實現(xiàn)了前置放大器增益的自動調(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)簡單，動態(tài)功耗小，參數(shù)設(shè)置靈活。

3　測試結(jié)果及分析

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

圖5　K類功放芯片照片

對封裝好的樣品進行測試，圖6給出了當電源電壓為4.2 V時，4Ω喇叭負載，增益設(shè)置為24 dB，輸入1 kHz頻率信號時，該K類音頻功放的總諧波失真與噪聲（THD+N）及輸出功率 PO隨輸入動態(tài)范圍變化的測試結(jié)果。其中圖6(a)為未啟動防破音控制功能時的測試結(jié)果，圖6(b)為啟動防破音控制功能時的測試結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出，啟動防破音控制以后，K類音頻功放在輸入動態(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的輸入動態(tài)范圍內(nèi)保持恒定2 W的輸出功率。而未啟動防破音控制電路時，輸入動態(tài)范圍在0.3 Vrms左右時THD+N就達到10%，且輸出功率在 0.4 Vrms時達到了3 W，容易造成過載，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,增大其輸入動態(tài)范圍。

圖6　THD+N及PO隨輸入信號幅度變化

4　結(jié)論

本文設(shè)計實現(xiàn)了一種可用于K類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類音頻功放，已經(jīng)采用0.5μm CMOS工藝實現(xiàn)。測試結(jié)果表明，通過本文提出的防破音控制系統(tǒng)，可以在保證K類音頻功放在較大的輸入動態(tài)范圍內(nèi)，保持較低的THD+N，即在0～1.2 Vrms的輸入動態(tài)范圍里保持(THD+N)<0.5%，恒定輸出功率 2.0 W，有效避免了過載對喇叭的破壞，大大提高了輸出音質(zhì)。

[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.

Non-clipping control system for Class K audio power amplifier

Wang Shaoqing，Ye Chunhui，Hu Yangcong
(SI-EN Technology Xiamen Ltd.，Xiamen 361005，China)

Non-clipping control system for Class K audio power amplifier application is presented.The system can automatically detect the distortion of output signal and adjust gain of the Class K audio power amplifier accordingly in order to avoid clipping in a large input dynamic range.Ensure the Class K audio amplifier can keep low THD+N and fix output power within the whole power supply range.A Class K audio amplifier that integrated with the non-clipping control system was implemented in 0.5μm CMOS process.The measurement result shows that at 3.3～4.2 V power supply,24 dB gain setting and 4Ω speaker loading the amplifier can keep(THD+N)<0.5%with the fix output power of 2.0 W within the input signal range of 0～1.2 Vrms.

non-clipping control；Class K audio power amplifier；input dynamic range；total harmonic distortion

TN402

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.004

2015-04-29)

王紹清（1981-），女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計與應(yīng)用。

葉春暉（1984-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計與應(yīng)用。

胡養(yǎng)聰（1984-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計與應(yīng)用。

中文引用格式：王紹清，葉春暉，胡養(yǎng)聰.K類音頻功放的防破音控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1)：22-24.

英文引用格式：Wang Shaoqing，Ye Chunhui，Hu Yangcong.Non-clipping control system for Class K audio power amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(1)：22-24.