低EMID類音頻功放電路關鍵技術研究.pdf

1、D類音頻放大器由于具有高效率、低功耗的優(yōu)點，被廣泛地應用在PDA、手機和MP3等便攜式設備中。但是其獨特的開關特性會產(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)生傳導和輻射噪聲。因此在電磁兼容標準（如美國的 FCC標準和歐洲的CE標準）日益苛刻的今天，D類功放的應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，從發(fā)生源出發(fā)的電路設計方法對減小電磁干擾、節(jié)約板級空間更具有實用價值。其中擴頻調(diào)制技術已經(jīng)被廣泛地研究以克服濾波器解決方案中存在的問題，然而設計復雜程度、功耗、效率以及芯片成本等因素限制了這些方法的應用；同時對于 D類功放而言，擴頻調(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，當設備工作在無任何外部濾波以及接有較長揚聲器連線的情況下，當輸出功率較高時，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，但是電路復雜程度和由更多功率MOSFET貢獻的芯片面積將會增加。
　　本文對比分析了目前報道的先進成果，充分考慮電路難度和設計成本、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)進行了深入研究，包括高精度帶隙基準曲率補償、數(shù)字時鐘擴頻降低傳導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、率補償、偽隨機擴頻等關鍵技術和零死區(qū)電流源柵驅(qū)動電路架構(gòu)，主要創(chuàng)新點包括以下幾方面：
　　1.基于帶隙基準溫度補償?shù)幕纠碚?，提出了無阻式曲率補償技術（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)非線性溫度特性進行直接補償，相比之前報道的

5、無阻式一階補償結(jié)構(gòu)極大降低了溫度系數(shù)。該技術在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。同時針對分段式補償技術，提出了基于PN結(jié)反偏電流（基準溫度系數(shù)為2.8ppm/℃）和利用可變增益電流鏡及二次校正方法（基準溫度系數(shù)為1.3ppm/℃）的兩種補償架構(gòu)，成功實現(xiàn)了具有極低溫漂的高精度電壓帶隙基準源。

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

7、，低功耗擴頻時鐘電路面積為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的電磁輻射標準。
　　3.依據(jù)H橋功率輸出級EMI的主要來源，詳細探討了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20dB以上，當輸入音頻信號頻率在10kHz以內(nèi)變化時THD小于0.5%，仿真實