用于D类音频放大器中的POP噪声抑制电路

摘要

本发明公开了一种用于D类音频放大器中的POP噪声抑制电路，具体包括：逻辑判断单元、开关电容放大器、比较器单元、第一开关、第二开关、第三开关、第一电容和第二电容。本发明的抑制电路的结构简单，易于实现，该电路可直接集成在所应用的系统芯片中，不需要外加隔直电容，简化了外围连接，采用了开关电容电路，具有很好的可控性，可以自行设计抑制噪声时间的长短以适应于不同应用场合，且不受工艺或者外围电路的影响，具有很高的精确性，该电路可以和D类音频放大器中保护电路一起工作，同时实现短路保护、热过载保护和欠压保护等功能。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种用于D类音频放大器中的POP噪声抑制 电路。

背景技术

POP噪声是指音频系统中普遍存在的开机与关机过程中产生的噪声。在音频系统中， 功率放大器驱动喇叭或耳机时常常要利用一个大电容作为隔直电容，并且存在输出功率管 与负载寄生的电容，在开机的时候需要将电容的电压充电至共模电平，而在关机的时候又 需要将电容中的电压放电至零，这样就容易在开机与关机的时候对喇叭或耳机造成冲击而 形成POP噪声。另外在全桥输出时，即使无需隔直电容，但由于电路两边无法完全对称， 所以在启动或者关断时候，两边的电压可能会有一定差别，从而产生pop噪声，因此有必 要提供一种能够有效抑制POP噪声的噪声抑制电路。

目前H桥已被认为是有效的，H桥结构在很多性能方面优于半桥模式输出结构，当要 求相同的输出功率时，H桥结构产生的噪声较半桥结构更小，主要是因为H桥的噪声以共 模信号形式相互抵消，而不会对扬声器产生影响，即不会产生瞬态噪声，因此H桥结构对 于Click/Pop噪声能起到很好的抑制作用，且不需要额外的操作。但是由于电路的非完全对 称，H桥也会产生一定的POP噪声，需要进行抑制。

现有的抑制POP噪声的方法是通过对芯片引脚进行设计来实现的。有些音频系统通常有 一个提供基准电压的引脚（Vbias或Vref等），帮助电路建立正常工作点。但是在应用时，该 引脚通常外接旁路电容到地，用以滤除噪声，电容值越大，效果越明显。若系统为单电源 供电，稳定工作状态下的基准电压约为V_DD/2，芯片上电时，首先建立直流工作点，开始对 电容充电直到V_DD/2，芯片正常工作，芯片掉电时变成电容放电。当对电容充电时间较长即 Vbias变化缓慢，Click/Pop噪声的脉冲幅度减小，脉宽展宽，对人耳的感觉就是噪声减小； Vbias上电掉电过程变缓，基准电压到达稳态的延迟时间也增加，对噪声起到抑制作用；同 时滤波电容越大，对噪声的抑制效果越好，但是过大的滤波电容会使的芯片建立时间过长， 使人耳“久久”感觉不到声音，也会使总谐波失真加噪声THD+N变差。

发明内容

本发明的目的是解决现有的POP噪声抑制方案存在的上述问题，提出了一种用于D类 音频放大器中的POP噪声抑制电路。

本发明的技术方案是：一种用于D类音频放大器中的POP噪声抑制电路，具体包括： 逻辑判断单元、开关电容放大器、比较器单元、第一开关、第二开关、第三开关、一电流 源、第一电容和第二电容，其中，

第一电容的一端接开关电容放大器的正向端，第一电容的另一端接第一开关的第一端 和第二开关的第一端，第一开关的第二端经一电流源藕接于地，第二开关的第二端接地； 第二电容的一端接开关电容放大器正向端和第五开关的第二端，第二电容另一端接开关电 容放大器输出端、第四开关的第二端、第三开关的第二端和比较器单元的正向端，开关电 容放大器负向端接地，第三开关的第一端、第四开关的第一端、第五开关的第一端均接地， 比较缓冲器负向端接基准电压；所述的比较器单元用于比较开关电容放大器输出信号与基 准电压的大小，输出第一钳位信号、第二钳位信号和第三信号；比较器单元输出的第一钳 位信号、第二钳位信号输入到所述的D类音频放大器中的前置放大器中；

所述逻辑判断判断单元具有四个输入端，分别输入比较器单元输出的第三信号、开关 电容放大器输出信号、外部的使能信号、所述D类音频放大器输出的保护信号；

所述逻辑判断判断单元具有四个输出端，分别输出第一开关信号、第二开关信号、第 三开关信号和栅极驱动控制信号；

所述的四个输入信号和四个输出信号的逻辑关系为：

当外部的使能信号为高电平，或者保护信号为高电平时，栅极驱动控制信号为高电平， 第三开关信号为高电平，开关电容放大器输出信号为低电平，比较器单元输出的第三信号 为低电平，第一开关信号和第二开关信号为基于所述的D类音频放大器系统时钟产生的互 补时钟信号；

当外部的使能信号、保护信号均为低电平时，经过预先设定的时间，栅极驱动控制信 号和第三开关信号由高电平变为低电平，跳变之后的第一个时钟周期，第一开关信号为高 电平，第二开关信号为低电平，开关电容放大器输出的逻辑信号为低电平，比较器单元输 出的第三信号为低电平，第二个时钟周期，第一开关信号为低电平，第二开关信号为高电 平，直到开关电容放大器输出信号变为高电平，比较器单元输出的第三信号变为高电平， 第一开关信号为高电平，第二开关信号为低电平；

所述的第一开关信号接第一开关的控制端和第五开关的控制端用于控制第一开关、第 五开关，第二开关信号接第二开关的控制端和第四开关的控制端用于控制第二开关、第四 开关，第三开关信号接第三开关的控制端用于控制第三开关。

本发明的有益效果：本发明的POP噪声抑制电路的结构简单，易于实现，该电路可直 接集成在所应用的系统芯片中，不需要芯片外加的隔直电容，简化了外围连接，采用了开 关电容电路，具有很好的可控性，可以自行设计抑制噪声时间的长短以适应于不同应用场 合，且不受工艺或者外围电路的影响，具有很高的精确性，该电路可以和D类音频放大器 中保护电路一起工作，同时实现短路保护、热过载保护和欠压保护等功能，丰富了D类音 频放大器中的功能。

附图说明

图1为本发明的POP噪声抑制电路的结构示意图。

图2为采用本发明的POP噪声抑制电路的D类音频放大器的结构示意图。

图3为实施例中逻辑判断单元的结构示意图。

图4为实施例中比较器单元示的结构示意图。

图5为实施例中POP噪声抑制电路在上电触发POP抑制功能逻辑时序图。

图6为实施例中POP噪声抑制电路在保护系统时的逻辑时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的POP噪声抑制电路的结构示意图如图1所示，具体包括：逻辑判断单元、开 关电容放大器、比较器单元、第一开关sw1、第二开关sw2、第三开关sw3、第四开关sw4、 第五开关sw5、一电流源、第一电容C1和第二电容C2，其中，

第一电容C1的一端接开关电容放大器的正向端，第一电容C1的另一端接第一开关sw1 的第一端b和第二开关sw2的第一端b，第一开关sw1的第二端a经一电流源藕接于地， 第二开关sw2的第二端接地；第二电容C2的一端接开关电容放大器正向端和第五开关sw5 的第二端a，第二电容C2另一端接开关电容放大器输出端、第四开关sw4的第二端a、第 三开关sw3的第二端a和比较缓冲器的正向端，开关电容放大器负向端接地，第三开关sw3 的第一端b、第四开关sw4的第一端b、第五开关sw5的第一端b均接地，比较缓冲器负向 端接基准电压，比较器单元用于比较开关电容放大器输出信号与基准电压的大小，输出第 一钳位信号CP1、第二钳位信号CP2和第三信号COM_OUT；比较器单元输出的钳位信号 CP1、CP2输入到所述的D类音频放大器中的前置放大器中；

所述逻辑判断判断单元具有四个输入端，分别输入比较器单元输出的第三信号 COM_OUT、开关电容放大器输出信号、外部的使能信号、所述D类音频放大器输出的保 护信号，

所述逻辑判断判断单元具有四个输出端，分别输出第一开关信号、第二开关信号、第 三开关信号和栅极驱动控制信号；

所述的四个输入信号和四个输出信号的逻辑关系为：

1、当外部的使能信号为高电平，或者保护信号为高电平时，栅极驱动控制信号为高电 平，第三开关信号为高电平，开关电容放大器输出信号SC_OUT为低电平，比较器单元输 出信号COM_OUT为低电平，第一开关信号S1为时钟信号，第二开关信号S2为与S1互 补的时钟信号；

2、当外部的使能信号、保护信号均为低电平时，经过预先设定的时间，在本实施例中 设定30us，栅极驱动控制信号L_CON和第三开关信号S3由高电平变为低电平，跳变之后 的第一个时钟周期，第一开关信号S1为高电平，第二开关信号S2为低电平，开关电容放 大器输出信号SC_OUT为低电平，比较器单元输出信号COM_OUT为低电平，第二个时钟 周期，第一开关信号S1为低电平，第二开关信号S2为高电平，直到开关电容放大器输出 信号SC_OUT变为高电平，比较器单元输出信号COM_OUT变为高电平，第一开关信号 S1为高电平，第二开关信号S2为低电平。

本领域的技术人员应该意识到，根据上述逻辑关系，可以设计出任何形式的逻辑判断 单元模块。

这里，第一开关信号接第一开关的控制端和第五开关的控制端用于控制第一开关、第 五开关，第二开关信号接第二开关的控制端和第四开关的控制端用于控制第二开关、第四 开关，第三开关信号接第三开关的控制端用于控制第三开关。

这里，第一开关sw1可以通过第一NMOS管实现，第一NMOS管的漏极作为第一开关sw1 的a端，第一NMOS管的源极作为第一开关sw1的b端，第一NMOS管的栅极作为第一开关sw1 的c端；第二开关sw2可以通过第二NMOS管实现，第二NMOS管的源极作为第二开关sw2的a 端，第二NMOS管的漏极作为第二开关sw2的b端，第二NMOS管的栅极作为第二开关sw2的c 端；第三开关sw3可以通过第三NMOS管实现，第三NMOS管的漏极作为第三开关sw3的a端， 第三NMOS管的源极作为第三开关sw3的b端，第三NMOS管的栅极作为第三开关sw3的c端； 第四开关sw4可以通过第四NMOS管实现，第四NMOS管的源极作为第四开关sw4的a端，第四 NMOS管的漏极作为第四开关sw4的b端，第四NMOS管的栅极作为第四开关sw4的c端；第五 开关sw5可以通过第五NMOS管实现，第五NMOS管的漏极作为第五开关sw5的a端，第五 NMOS管的源极作为第五开关sw5的b端，第五NMOS管的栅极作为第五开关sw5的c端。

采用本发明的POP噪声抑制电路的D类音频放大器如图2所示，包括：前置放大器、 积分器电路、PWM调制电路、栅极驱动、POP噪声抑制电路、功率输出级电路以及保护电 路，同时还包括LC滤波器电路。参照图2，输入音频信号通过前置级的预放大后，在积分 器中与从输出端反馈回来的方波信号进行误差放大与高频滤波，之后被输出到PWM调制 电路，经过锯齿波的调制后输出占空比随音频信号变化的方波信号到栅极驱动电路，在栅 极驱动电路对方波信号进行必要的优化后驱动输出功率级，通过滤波器后即可来驱动声学 元件。另一方面，保护电路检测功率输出级的工作状况后输出到POP噪声抑制电路，在上 电/掉电时，POP噪声抑制电路开始工作，首先关断栅极驱动电路，当系统偏置在正常的工 作状态后，栅极驱动电路开始工作，同时钳位系统的信号输入端，使得没有输出信号产生， 经过18ms的延时后，系统开始正常工作。

上电时POP噪声抑制电路开始工作，首先关断D类音频放大器的栅极驱动电路，上电 完成时，经过30us的延迟后取消对栅极驱动电路的控制，随后POP噪声产生信号钳位系统 的输入放大器，使之无差分输入信号进入系统，而此时内部环路将调制器偏置电压设置在 正确的电平，避免在启动H桥时产生POP噪声，启动18ms后，POP噪声电路逐渐解除输 入放大器的静音状态，系统进入正常工作状态。

D类音频放大器中的前置放大器、积分器、PWM调制电路、栅极驱动电路以及功率输 出级都可以采用本领域技术人员常用的系统结构，因此不做详细说明。

图3给出了逻辑判断单元的一种结构，其输入信号包括使能信号与保护信号，输出信 号包括开关信号S1、S2，为开关电容电路提供时序图逻辑判断开关电容是否工作的S3信 号，以及控制音频系统栅极驱动控制信号L_CON。具体包括：NMOS管MN6、MN7、一 电流源IB、一电容C0、一反相器NV1以及逻辑控制子单元，其中，MN6的漏极、MN7 的漏极和电容C0一端以及反相器NV1输入端相连，并且经一电流源IB藕接于电源电压； MN6的源极、MN7的源极和电容C0另一端相连接到地电位。MN6的栅极接保护信号， MN7的栅极接使能信号；反相器NV1输出端为栅极驱动控制信号L_CON，并接入到逻辑 判断子单元，逻辑判断子单元另外两个输入信号是比较器单元输出信号COM_OUT和开关 电容放大器输出信号SC_OUT，输出信号是第一开关信号S1，第二开关信号S2，第三开关 信号S3。

逻辑控制子单元用于实现如下的逻辑功能：

1、栅极驱动控制信号为高电平时，第三开关信号S3为高电平，开关电容放大器输出 信号SC_OUT为低电平，比较器单元输出信号COM_OUT为低电平，第一开关信号S1为 时钟信号，第二开关信号S2为与S1互补的时钟信号。

2、栅极驱动控制信号L_CON和第三开关信号S3由高电平变为低电平时，跳变之后的 第一个时钟周期，第一开关信号S1为高电平，第二开关信号S2为低电平，开关电容放大 器输出信号SC_OUT为低电平，比较器单元输出信号COM_OUT为低电平，第二个时钟周 期，第一开关信号S1为低电平，第二开关信号S2为高电平，直到开关电容放大器输出信 号SC_OUT变为高电平，比较器单元输出信号COM_OUT变为高电平，第一开关信号S1 为高电平，第二开关信号S2为低电平。

逻辑判断单元首先判断是否进行POP噪声抑制动作。当有POP噪声时，MN6或是MN7 开启，偏置电流流向MN6或MN7的支路，经反相器后，输出L_CON信号为高电平，关 断D类音频系统的栅极驱动电路；同时根据L_CON及SC_OUT信号一起决定积分器何时 开始工作，二者可以通过多种逻辑设计来产生信号S3，不在受限于某一固定的结构（其中 的逻辑关系为：L_CON=“1”，S3=“1”，开启POP噪声抑制动作；L_CON=“0”，S3= “1”，偏置电流对电容C0充电；L_CON=“0”，S3=“0”，开关电容开始工作）。同样 的，互补时钟产生信号的频率即为开关频率，产生方法可以参照现在已存在的方式。

当系统上电和使能开启前逻辑判断单元提供信号L_CON，给图2的D类音频放大系统 的栅极驱动模块，L_CON为高电位时，关断驱动电路，开启POP噪声抑制功能。在此电路 中，产生高电平有两种情况。当系统使能未开启时，使能信号为高电平，MN7开启，使得 L_CON为高电位触发POP噪声抑制动作；另一种情况，当芯片上电时，由于各个节点充电 不及，使保护电路中的欠压信号（欠压信号）有效，使MN6开启，同样可以触发L_CON 信号为高而使系统触发POP噪声抑制动作，同时逻辑判断单元也会为开关电容电路提供所 需的时序信号。当系统恢复正常后，MN6、MN7关断，恒流源给电容C0充电，L_CON变 为低，S3信号变为低，开关电容开始工作。

开关电容放大器、第一开关sw1到第五开关sw5、电容C1和电容C2组成了开关电容 电路。开关电容放大器为系统提供足够的时间使得系统的内部环路建立正确的电平，相对 一般的延迟电路，开关电容电路的时间更精确，而传统的RC延时电路，其时间常数受工艺 与温度的影响，而开关电容电路的时间常数是两个电容的比例。根据逻辑判断单元的分析， 当系统上电和使能开启前L_CON信号为高电位，此时产生开始POP噪声抑制动作，S3信 号为高电位，开关电容此时不工作，等到系统恢复正常，S3信号变为低，开关电容开始工 作，S1、S2控制开关电容的工作过程，S1=‘1’，S2=‘0’，偏置电流给电容C1充电；S1= ‘0’，S2=‘1’，存储于C1中的电荷转移到C2中，使SC_OUT逐渐增大，输出到比较器 单元。

图4给出了比较器单元的一种结构，具体包括：一比较器、一非门、两个缓冲器，其 中，比较器的输入为SC_OUT和基准电压，输出COM_EN信号连接到非门的输入以及两 个缓冲器的输入。第一缓冲器的另一输入信号为基准电压，输出钳位信号CP1；第二缓冲 器的另一输入信号为基准电压，输出钳位信号CP2，非门的输出为COM_OUT信号。

比较器使得SC_OUT与基准电压比较，其中的比较器即为常用的比较器，通常选择结 构简单速度快的结构，缓冲器完成对比较器输出信号的缓冲，以减少对前置放大器的影响。

在系统上电或者使能开启时产生POP噪声抑制动作，SC_OUT信号输入到比较器单元， 与基准电压进行比较。此电路主要由两部分组成，分别为比较器和缓冲输出器，当SC_OUT 小于基准电压时，COM_EN信号使得两个缓冲器开始工作，COM_OUT输出低电平，并输 出到逻辑判断单元参与逻辑转换，使积分器继续工作，由于缓冲器使得此时的输出钳位信 号CP1和CP2输出基准电压，用以钳位前置运放，使音频信号不能进入到环路。当SC_OUT 大于基准电压时，COM_OUT输出高电平，逻辑判断单元输出关断开关电容S1=‘1’，S2= ‘0’关断积分器，并将SC_OUT迅速拉到高，CP1和CP2取消输出嵌位，芯片进入正常 工作状态，大约历时18ms。

系统的保护功能也是通过POP噪声抑制电路控制实现的，当保护信号使能有效时（即 系统出现异常）时，保护电路使能为高电平，MN6开启（此时使能信号为低电平，MN7关 断），触发L_CON信号为高电平，关断逻辑判断单元及功率管，当保护信号使能无效时（即 系统恢复正常），在芯片开始继续正常工作之前，关断MN6，偏置电流对电容C0充电，等 待约30us的延时后，L_CON变为低，逻辑判断单元及功率管正常工作。

图5为在电源电压3.3V，25℃下的逻辑关系图。刚刚上电时，进入POP噪声抑制模式， S3为低电平，开关电容工作，SC_OUT电压逐渐升高，比较缓冲器输出CP1、CP2钳位前 置运放，经过约18ms，SC_OUT被拉到高电平，解除前置运放的静音状态，开始正常工作。

如图6所示为在系统在温度升高到一定值时，为了保护功率管不会被烧毁，电路会使 保护信号输出为高，此时POP噪声抑制电路开始工作，输出栅极驱动电路，当保护信号使 能输出为低，系统可以正常工作，在恢复正常工作状态之前，L_OUT维持高电平约30us 后，释放栅极驱动模块，开始再次工作，与设计结果吻合。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原 理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术 人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和 组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。