CN103501162B - 具有噪声消除电路的高保真d类音频放大器芯片 - Google Patents
具有噪声消除电路的高保真d类音频放大器芯片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及高保真D类音频放大器。本发明公开了一种具有噪声消除电路的高保真D类音频放大器芯片，包括前置放大器、二级放大器，PWM调制电路、驱动器、功率放大器、反馈电路，其特征在于，还包括噪声消除电路，所述噪声消除电路与驱动器和前置放大器连接，所述噪声消除电路在芯片上电和掉电时通过驱动器关断功率放大器，并在芯片恢复过程中对音频输入端进行钳位，使得芯片处于软启动的工作方式；所述噪声消除电路包括逻辑单元、开关电容积分器和控制单元，所述逻辑单元与开关电容积分器和控制单元连接，所述开关电容积分器与控制单元连接，所述控制单元与前置放大器输入端连接，所述逻辑单元与驱动器连接。本发明主要用于音频放大器。
Description
技术领域
本发明涉及高保真D类音频放大器，特别涉及D类音频放大器中的爆破噪声控制电路。
背景技术
Click-and-pop称作咔嗒声和砰然声，属于D类音频放大器的一类爆破噪声。对于绝大多数人来说，如果click-and-pop不是很大，都还是可以接受的，但是如果这种刺耳的声音太大，就会让人感到烦躁，影响音频放大器的正常使用。所以对于音频放大电路若能消除或者减小click-and-pop噪声是极其至关重要的。
一般而言，click-and-pop声能被定义为由放大器系统产生的电压瞬变信号产生的可听见噪声，其并不是来自于系统的输入信号。在众多导致click-and-pop声原因中，其中一个主要原因就是芯片刚上电或者掉电，使能开启或者关断时，芯片的正常的工作点并未建立或者全差分输出失调造成的不必要信号经过扬声器，同时由于产生的噪声信号在音频信号频谱范围内，从而导致了扬声器发出无用的声音。
为了解决上述问题，现有的爆破噪声抑制方法主要有采用BTL(桥接式负载)输出，增大基准电压滤波电容和合理的系统控制时序等方式来进行控制。但这些方法存在的缺点是只能针对某一种噪声进行改进，很难将设备中的大部分爆破噪声消除。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提出一种具有噪声消除电路的高保真D类音频放大器芯片。
本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，具有噪声消除电路的高保真D类音频放大器芯片，包括前置放大器、二级放大器，PWM调制电路、驱动器、功率放大器、反馈电路，其特征在于，还包括噪声消除电路，所述噪声消除电路与驱动器和前置放大器连接，所述噪声消除电路在芯片上电和掉电时通过驱动器关断功率放大器，并在芯片恢复过程中对音频输入端进行钳位，使得芯片处于软启动的工作方式；所述噪声消除电路包括逻辑单元、开关电容积分器和控制单元，所述逻辑单元与开关电容积分器和控制单元连接，所述开关电容积分器与控制单元连接，所述控制单元与前置放大器输入端连接，所述逻辑单元与驱动器连接。
具体的，所述功率放大器由4只功率管构成。
进一步的，所述4只功率管连接成H桥。
本发明的有益效果是，有效的抑制了高保真D类音频放大器中的Click-and-pop声，保证了芯片刚上电或者掉电，使能开启或者关断时，不会造成不必要的信号经过扬声器。在模式切换时形成类似于软启动过程的控制方式，能够同时对扬声器输出端和音频信号输入端进行控制，高效的抑制了爆破声。
附图说明
图1是噪声消除电路内部架构示意图；
图2是本发明的芯片电路结构示意图；
图3是噪声消除电路中的开关电容积分器电路结构示意图；
图4是噪声消除电路中的控制单元电路结构示意图；
图5是噪声消除电路中逻辑单元及其时序控制示意图。
具体实施方式
本发明一方面在芯片上电/掉电时能够通过驱动器关断功率放大器使得扬声器保持静默状态；另一方面在芯片恢复过程中，能够通过音频输入端嵌位使得芯片形成类似于软启动的工作方式，从而有效抑制了click-and-pop声同时保证了模式切换的流畅性。
本发明的噪声消除电路如图1示，包括一个逻辑单元，一个开关电容积分器和一个控制单元。其中，逻辑单元有三个输入端，五个输出端，输入端作为使能端，输入端SCOUT连接至开关电容积分器和控制单元，输入端SHDI连接至控制单元；输出端EN1、、CLK和CLR连接至开关电容积分器，输出端连接至驱动模块；开关电容积分器有五个输入端和一个输出端，其中，输入端SHDI连接至控制单元；控制单元有两个输入端，输入端SCOUT连接至开关电容积分器和逻辑单元，输入端VREF作为外部基准信号，输出端CTR1和CTR2连接至音频信号输入端。
本发明的芯片电路结构如图2所示，包括前置放大器、二级放大器，PWM调制电路、驱动电路、功率放大器、反馈电路和噪声消除电路。噪声消除电路连接驱动电路输入端、第一输入信号VIN1和第二输入信号VIN2。图2中二级放大器由全差分运算放大器OP2及其外围电路构成，前置放大器由全差分运算放大器OP1及其外围电路构成。全差分运算放大器OP1输入端分别连接第一输入信号VIN1和第二输入信号VIN2，其输出端与全差分运算放大器OP2连接。全差分运算放大器OP2输出的两路信号Vi+和Vi-分别接入PWM调制电路，完成音频信号的PWM调制。PWM调制电路输出的2路调制信号经过驱动器进行放大，然后输入功率放大器进行功率放大，推动扬声器发声。反馈电路的输入信号分别接扬声器的两端VO1和VO2，输出信号分别接全差分运算放大器OP2的正输入端和负输入端。图2中，电阻Ri1、Ri2为输入电阻，电阻R1、R7为反馈电阻，电阻R2、R8为输出电阻，电容C1、C4为反馈电容。本发明的功率放大器可以采用4只场效应管连接成H桥构成功率输出级，扬声器连接在功率放大器的输出端。
本发明上述方案中，具体涉及的开关电容积分器如图3示，包括，PMOS管(P型场效应晶体管)M1、M2、MS1和MS2，NMOS管(N型场效应晶体管)MS4、MS3、M3A、M3B、M4A、M4B，三极管Q1和Q2，电阻R1和R2，偏置电流源Ibias，电容CS和CF，运算放大器A0。其中PMOS管M1、M2和MS2的源极连接到外部电源，M1的栅极和漏极相连到M2的栅极、MS1的漏极和偏置电流源Ibias的一端，MS1的栅极连接到输入端EN1，M2的漏端连接到三极管Q1、Q2的基极和Q2的集电极，Q2的发射极连接到电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接到地，Q1的集电极连接到外部电源，Q1的发射极连接到电阻R1的一端和NMOS管M3A的漏端，电阻R1的另一端连接到地，NMOS管M3A和M3B的栅极连接到输入信号，NMOS管M4A和M4B的栅极连接到输入信号CLK，M3A的源极连接到NMOS管M4B的漏极和电容CS的一端，电容CS的另一端连接到NMOS管M3B的漏极和NMOS管M4A的源极，M4B和M3B的源端都连接到地，M4A的漏端连接到运算放大器A0的同相输入端和电容CF的一端以及NMOS管MS4的漏端，运算放大器的反相输入端连接到地，NMOS管MS4和MS3的栅端都连接至输入信号CLR，源端都连接到地，PMOS管MS2栅端连接至输入信号SHDI2，运算放大器A0的输出、电容CF的一端、MS2的漏端和MS3的漏端作为开关电容积分器的输出端SCOUT。
本发明上述方案中，具体涉及的控制单元如图4所示，包括，PMOS管M1、M2、M5、M6、M7、M8、M9和M14，NMOS管M4、M10、M11、M12、M13、M15、M16、M17和M18，PNP管Q1、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12和Q13，NPN管Q3、Q4、Q5、Q14，电阻R3和R4，电容C1；PMOS管M1、M2、M7、M8、M9和M14的源端都连接到外部电源，M1、M2、M8、M7、M9、M14的栅端连接到外部偏置电流源IBIAS的一端，IBIAS的另一端连接到地，M2的漏端连接至PNP管Q1的发射极和NPN管Q3基极，Q1的基极连接至输入信号端VREF，Q1的集电极连接到地，Q3的集电极连接至外部电源，Q3的发射极连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接至PMOS管M5的栅极和NMOS管M4的漏极，PMOS管M5和PMOS管M6的源极连接至PMOS管M8的漏端，NMOS管M4的栅端连接至PMOS管M6的漏极和NPN管Q5的集电极和NMOS管M12和M13的栅极，NMOS管M4、M10、M11、M12和M13的源端连接至地，PMOS管M5的漏极连接至NPN管Q4和Q5的基极，NPN管Q4和Q5的发射极连接至地，PMOS管M6的栅极连接至PMOS管M9的漏端和PNP管Q6的发射极，PNP管Q6的基极连接至NPN管Q14的发射极和NMOS管M11的漏端，Q6的集电极连接至地，Q14的栅极连接至输入信号SCOUT，NMOS管M11的栅极和M10的栅极连接至PMOS管M7的漏极，M10和M11的源极连接至地，PMOS管M14的漏极连接至NMOS管M12的漏极和经过反相器后连接至输出信号SHDI和SHDI2，NMOS管M13的漏极连接至电阻R3的一端，M13的源极连接至地，电阻R3的另一端连接至PNP管Q7、Q8和Q11的基极和Q7的集电极，Q7和Q8的发射极连接至外部电源，PNP管Q8的集电极连接至PNP管Q9和Q10的发射极，Q9的基极和集电极连接至NMOS管M15的漏极且作为输出信号端CTR2，M15和M16的源极连接至地，M16的漏极连接至PNP管Q10的集电极，M15和M16的栅极连接至PNP管Q9的集电极，Q10的基极连接至输入信号VREF，PNP管Q11的集电极连接至PNP管Q12和Q13的发射极，Q13的基极和集电极连接至NMOS管M18的漏极且作为输出信号端CTR1，M17和M18的源极连接至地，M17和M18的栅极和M17的漏极连接至PNP管Q12的集电极，Q12的基极连接至输入信号VREF。
本发明根据产生click-and-pop声的原因，提出了相应的解决方案，解决click-and-pop声的主要方法是在芯片上电或掉电时，噪声消除电路开始工作，输出的数字逻辑信号通过驱动器关断H桥，此时扬声器处于静默状态，芯片进入消噪模式；当整个芯片需要恢复至正常工作状态时，经过微秒级的延时后通过逻辑信号控制将输出信号驱动器开启，同时将CTR1和CTR2两个引脚钳位；之后开关电容积分器经过毫秒级的积分使得CTR1和CTR2逐渐放开输入引脚的电平，则芯片退出了消噪模式，这样通过合理的控制次序和控制时间，形成类似于软启动过程的控制方式，能够很好的抑制爆破噪声的产生，使得用户在上电和掉电模式切换时仍然保持轻松、愉快的心情去欣赏美妙、和谐的音乐。
本发明提出的噪声消除电路的内部架构图如图1所示，其主要构成部分是逻辑单元，开关电容积分器，控制单元三个部分。
具体工作原理如下：
当芯片工作使能端为低时，即芯片在上电/掉电情况下，芯片进入保护模式，主要是利用逻辑单元输出控制信号使能作用关断驱动器，利用驱动器内部数字逻辑使得功率放大器处于关断状态，将扬声器设置为静音状态，保证了电路中各个工作点在建立之前不会产生噪声。此外，逻辑单元输出控制信号EN1＝‘0’，使得开关电容积分器处于关断状态。
当使能端由低变高时，即芯片开始恢复到正常工作状态时，此时逻辑单元经过50us的延时(保证了电路中各个工作点的建立，尤其是对于基准和比较器等各个子电路工作状态的迅速建立)输出控制信号使能开关让驱动器正常工作，扬声器正常工作，同时让控制单元将输入音频信号控制端CTR1和CTR2钳位到同一参考电位VREF，防止输入信号在芯片工作点未建立时经过扬声器而输出声音，此后经过开关电容积分器毫秒级的积分后将输入信号控制端CTR1和CTR2逐步释放，使得整个芯片退出消噪工作模式，进入正常工作状态。
本发明开关电容积分器如图3所示，主要功能是在退出消噪模式时，完成毫秒级的积分，直到其输出电压达到VREF。
当根据逻辑单元可知，EN1＝‘0’,CLR＝‘1’，则整个积分器电路处于关断状态，此时输出信号SCOUT＝‘0’，同时清零CF上电荷量，实现电路的低功耗。
当根据逻辑单元可知，图3在上电时，对电容C1充电，故端从高跳到低时，有50us的延时，保证了基准电路和噪声消除电路中各个运放和比较器的工作点建立。根据电路图3分析可知，由Q1、Q2、M1和M2以及R1、R2构成的电流镜结构保证了VS点为恒定电压(调整电流比例以及R1、R2阻值可设定单次搬运电荷量)，为积分器提供了单位搬移电荷量；而又知CLK和是一对互补时钟信号，当时，CLK＝‘0’，此时采样电容CS采样A点电压，电容CF上保持先前值，随后和CLK切换，即CLK＝‘1’，转换到积分模式，此时存储在CS上的电荷通过运放A0的虚地点将其电荷转移到CF上，完成积分过程。具体积分器输出表达式如公式1所示，
通过多次的和CLK切换过程，将电荷搬移到电容CF上，也即输出电压SCOUT逐渐上升，直到输出电压达到基准电压VREF完成毫秒级的积分过程。
本发明中控制单元电路结构如图4所示，主要是在芯片退出消噪模式时，通过两级运算放大器将开关电容积分器的输出电压SCOUT与预设基准电压VREF进行差分放大，控制单位增益运放的工作状态，同时输出逻辑信号SHDI高低来判断是否积分完成，当SHDI为低时通过逻辑控制单元中逻辑转换来控制开关积分器正常积分状态，当SHDI为高时通过逻辑单元中逻辑转换来控制开关积分器关断状态；此外，当未达到积分时间时，通过两个运放构成的单位增益运算放大器电路将音频信号输入控制端CTR1和CTR2钳位至VREF，随着积分电压信号SCOUT的电压逐步上升，单位增益运放的尾电流大小逐渐减小，单位增益运放带宽逐渐变小，部分音频信号开始通过扬声器进行放大；直到积分时间到达，关断嵌位运放Buffer1和Buffer2从而释放控制端CTR1和CTR2，音频信号完全输入到扬声器完成放大过程，终上所述，达到了缓慢释放音频信号的效果，此时整个芯片进入正常工作模式。
由图4知，电路主要由一个两级运算放大器，两个单位增益运放电路构成。
当电路进入CLICK_POP保护工作模式时，即此时两个单位增益运放不工作，则无法将将音频信号输入控制端CTR1和CTR2钳位，处于释放状态。
当电路开始退出CLICK_POP保护工作模式时，即开关电容积分器输出端SCOUT与基准电压VREF作为两级运算放大器的输入端，输出端控制单位增益运放的尾电流源，当SCOUT电压较小时，运算放大器正常工作并使得单位增益运算放大器的尾电流开始工作，两个单位增益运算放大器正常工作并将两个音频信号输入控制端CTR1和CTR2钳位至VREF电压，保证了输入音频信号无法通过扬声器发声；同时开启M12，输出SHDI＝‘1’,参与逻辑模块逻辑转换后，开关电容积分器继续工作，SCOUT电压继续升高；随着SCOUT电压的逐渐升高，单位增益运放的尾电流逐渐减小，导致单位增益运放的增益逐步降低，使得两个单位增益运放的带宽逐渐降低，音频信号则开始逐步输入至扬声器，形成发声过程；当经过1毫秒级时间的积分后，关断M12，输出SHDI＝‘0’,，参与逻辑模块逻辑转换后，开关电容积分器关断，且SHDI2＝‘0’，将SCOUT迅速拉高，则两个单位增益运放停止工作，完全释放CTR1和CTR2控制端，外部输入的音频信号全部输入至扬声器，扬声器正常工作，此时整个芯片退出CLICK_POP模式，恢复正常工作状态。
上述发明中，逻辑单元结构如图5所示，其主要由以下信号构成对噪声消除电路的控制时序。
其中：
CLICK_POP模块工作使能信号，低有效
EN1：开关积分器使能信号，EN1高有效
SYNC1：系统时钟分频信号
CLK和互补时钟信号
SCOUT：开关电容积分器输出端
CLR：开关电容积分器清零端，低有效
SHDI：积分完成情况逻辑输出端，SHDI为低即积分完成，SHDI为高即积分进行
SHDI2：开关积分器控制端，低有效，低电平时拉高SCOUT
开启Driver模块使能端，高有效
CTR1和CTR2：输入音频信号控制端
VREF：基准电压输入端，
欠压保护使能端,此电路工作时，始终为高。
根据逻辑控制时序图可知：
CLICK_POP模式：
EN1＝‘0’，CLR＝‘1’，SCOUT＝‘0’，CLK和是两个互补时钟信号，
退出CLICK_POP模式：
A.当积分时间未达到时，
EN1＝‘1’，CLR＝‘0’，CLK和是两个互补时钟信号，SCOUT逐渐上升，SHDI＝‘1’，SHDI2＝‘1’。
B.当积分时间达到时，
EN1＝‘1’，CLR＝‘0’，CLK和是两个互补时钟信号，SCOUT＝‘1’，SHDI＝‘0’，SHDI2＝‘0’。
Claims (3)
1.具有噪声消除电路的高保真D类音频放大器芯片，包括前置放大器、二级放大器，PWM调制电路、驱动器、功率放大器、反馈电路，其特征在于，还包括噪声消除电路，所述噪声消除电路与驱动器和前置放大器连接，所述噪声消除电路在芯片上电和掉电时通过驱动器关断功率放大器，并在芯片恢复过程中对音频输入端进行钳位，使得芯片处于软启动的工作方式；所述噪声消除电路包括逻辑单元、开关电容积分器和控制单元，所述逻辑单元与开关电容积分器和控制单元连接，所述开关电容积分器与控制单元连接，所述控制单元与前置放大器输入端连接，所述逻辑单元与驱动器连接；
所述开关电容积分器包括，PMOS管：M1、M2、MS1和MS2，NMOS管：MS4、MS3、M3A、M3B、M4A、M4B，三极管Q1和Q2，电阻R1和R2，偏置电流源Ibias，电容CS和CF，运算放大器A0；其中PMOS管M1、M2和MS2的源极连接到外部电源，M1的栅极和漏极相连到M2的栅极、MS1的漏极和偏置电流源Ibias的一端，MS1的栅极连接到输入端EN1，M2的漏端连接到三极管Q1、Q2的基极和Q2的集电极，Q2的发射极连接到电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接到地，Q1的集电极连接到外部电源，Q1的发射极连接到电阻R1的一端和NMOS管M3A的漏端，电阻R1的另一端连接到地，NMOS管M3A和M3B的栅极连接到输入信号NMOS管M4A和M4B的栅极连接到输入信号CLK，M3A的源极连接到NMOS管M4B的漏极和电容CS的一端，电容CS的另一端连接到NMOS管M3B的漏极和NMOS管M4A的源极，M4B和M3B的源端都连接到地，M4A的漏端连接到运算放大器A0的同相输入端和电容CF的一端以及NMOS管MS4的漏端，运算放大器的反相输入端连接到地，NMOS管MS4和MS3的栅端都连接至输入信号CLR，源端都连接到地，PMOS管MS2栅端连接至输入信号SHDI2，运算放大器A0的输出、电容CF的一端、MS2的漏端和MS3的漏端作为开关电容积分器的输出端SCOUT；
所述控制单元包括，PMOS管：M1、M2、M5、M6、M7、M8、M9和M14，NMOS管：M4、M10、M11、M12、M13、M15、M16、M17和M18，PNP管：Q1、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12和Q13，NPN管：Q3、Q4、Q5、Q14，电阻R3和R4，电容C1；PMOS管M1、M2、M7、M8、M9和M14的源端都连接到外部电源，M1、M2、M8、M7、M9、M14的栅端连接到外部偏置电流源IBIAS的一端，IBIAS的另一端连接到地，M2的漏端连接至PNP管Q1的发射极和NPN管Q3基极，Q1的基极连接至输入信号端VREF，Q1的集电极连接到地，Q3的集电极连接至外部电源，Q3的发射极连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接至PMOS管M5的栅极和NMOS管M4的漏极，PMOS管M5和PMOS管M6的源极连接至PMOS管M8的漏端，NMOS管M4的栅端连接至PMOS管M6的漏极和NPN管Q5的集电极和NMOS管M12和M13的栅极，NMOS管M4、M10、M11、M12和M13的源端连接至地，PMOS管M5的漏极连接至NPN管Q4和Q5的基极，NPN管Q4和Q5的发射极连接至地，PMOS管M6的栅极连接至PMOS管M9的漏端和PNP管Q6的发射极，PNP管Q6的基极连接至NPN管Q14的发射极和NMOS管M11的漏端，Q6的集电极连接至地，Q14的栅极连接至输入信号SCOUT，NMOS管M11的栅极和M10的栅极连接至PMOS管M7的漏极，M10和M11的源极连接至地，PMOS管M14的漏极连接至NMOS管M12的漏极和经过反相器后连接至输出信号SHDI和SHDI2，NMOS管M13的漏极连接至电阻R3的一端，M13的源极连接至地，电阻R3的另一端连接至PNP管Q7、Q8和Q11的基极和Q7的集电极，Q7和Q8的发射极连接至外部电源，PNP管Q8的集电极连接至PNP管Q9和Q10的发射极，Q9的基极和集电极连接至NMOS管M15的漏极且作为输出信号端CTR2，M15和M16的源极连接至地，M16的漏极连接至PNP管Q10的集电极，M15和M16的栅极连接至PNP管Q9的集电极，Q10的基极连接至输入信号VREF，PNP管Q11的集电极连接至PNP管Q12和Q13的发射极，Q13的基极和集电极连接至NMOS管M18的漏极且作为输出信号端CTR1，M17和M18的源极连接至地，M17和M18的栅极和M17的漏极连接至PNP管Q12的集电极，Q12的基极连接至输入信号VREF。
2.根据权利要求1所述的具有噪声消除电路的高保真D类音频放大器芯片，其特征在于，所述功率放大器由4只功率管构成。
3.根据权利要求2所述的具有噪声消除电路的高保真D类音频放大器芯片，其特征在于，所述4只功率管连接成H桥。
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