摘 要：设计实现了一种可用于K类音频功放的防破音控制系统，通过自动检测输出削波失真调整系统增益，确保K类音频功放在较大的输入动态范围内，输出音频信号光滑无失真。确保K类音频功放在整个工作电压内保持低谐波失真，且保持恒定输出功率。采用0.5 μm CMOS 工艺实现了集成这种防破音控制系统的2.0 W单声道K类音频功放。测试结果显示，在3.3 V~4.2 V电源电压范围、增益设置为24 dB、4 Ω喇叭负载下，该K类音频功放能够在0~1.2 Vrms的动态输入范围内保持低谐波失真(THD+N)<0.5%，恒定无削波输出功率2.0 W。
0 引言
随着多媒体便携设备的普及，音频功放已经成为音频部分的标准配置，用户不再满足于响亮地播放个性化的音乐，继而对音频功放提出了更高的要求[1]：高效率以延长电池的使用时间，在整个工作电压范围内提供完美音质，稳定的输出功率以确保扬声器不受损坏。便携式设备的音频应用中，输入信号过大或电池电压下降等因素都会导致音频放大器的输出信号发生不希望的破音失真，并且过载的信号会对扬声器造成永久性损伤。集成了电荷泵架构的K类音频功率放大器[2]，为内部功放电路提供高压电压轨，允许功放在锂电池电压范围内提供更大的输出动态范围。防破音控制系统则通过检测系统前置放大器的输出幅度，根据门限阈值电压自动调整系统增益，使得输出音频信号保持圆润光滑。带防破音控制的K类音频功放不仅保证了电池电压下降时，功放仍然能够输出足够大的功率，同时确保在电池电压较高时，有效控制输出功率大小，避免了大功率过载输出对喇叭的损坏[3]，在整个工作电压范围内带来高品质的音乐播放效果。
1 电路原理
K类音频功率放大器集成K-charge pump电荷泵架构，为内部功放电路提供1.5倍电池电压的高压电压轨。本文提出的防破音控制系统用于此K类音频功放，控制功放在较宽的输入范围以及整个锂电池电压范围内，输出不失真且恒定功率输出。防破音控制系统如图1所示，包括一个电平比较器、增益控制模块和两个电阻盒模块。电平比较器的两个输入端分别输入前置放大器的输出信号和预先设置的门限阈值电压（VREF），电平比较器对输入的两个信号进行比较，输出一个控制信号至增益控制模块。增益控制模块根据输入的控制信号判断是否进行增益控制，增益控制模块的输出端作为电阻盒模块的控制信号。该防破音控制系统采用了电平比较器，可以最大程度的满足较小输入信号的放大，适时衰减较大输入信号增益；线性度好，不会引入额外的非线性失真[4]；可控性强，通过调整预先设置的门限阈值电压改变起控电平，控制最大输出功率；调整增益控制模块中时间设置单元的参数可以灵活改变增益控制的启动时间（Attack Time）和释放时间（Release Time）[5]，以更好地适应被处理声音信号的种类，获得理想的效果。
2 电路实现
2.1 电平比较模块
电平比较模块实际由两个相同的比较器检测前置放大器的输出信号幅度，分别与正阈值电压VREF+和负阈值电压VREF-比较，如图2所示。当输出信号幅度高于正阈值电压或低于负阈值电压时，比较器的输出为高；反之输出为低。比较器输出与信号幅度和阈值电压的关系可以表示为：
2.2 增益控制模块
增益控制模块主要由启动时间控制电路、释放时间控制电路、可逆加减法器电路和译码电路组成。图3为该自动增益控制模块的模块原理图。该模块的主要工作为：根据比较器提供的音频信号幅度信息，进行增益控制的逻辑综合。当电平比较器检测到前置放大器的输出信号幅度超过阈值电压(VAGC=1)，则压缩时间控制电路开始工作，输出压缩时钟T1至增益加减法器，开始逐级压缩增益，直至前置放大器的输出幅度被压缩至正负阈值范围内停止压缩。从VAGC=1到压缩功能全部展开的时间即为启动时间，启动时间的一般设计值为1~100 ms；当电平比较器检测到前置放大器的输出信号幅度小于阈值电压(VAGC=0)的时间超过T2(T2>>T1) ，需要减小衰减幅度，则释放时间控制电路开始工作，输出释放增益时钟T2至增益加减法器，开始逐级释放增益，直到K类功放的增益恢复到合适的值。从VAGC=0到增益完全释放的时间即为释放时间，释放时间的一般设计值为20 ms~5 s。图4为压缩/释放时序特点示意图。
增益加减法器的输出送至译码器译码后输出N位增益选择信号（N为可供选择的增益阶数），分配输出电阻和反馈电阻的大小，并且每时每刻该增益选择模块的N位增益选择信号中只有一位有效（高电平有效）。例如第M位选择信号为高时增益为：
由式(2)可知，在检测信号幅度的过程中，当输出信号幅度大于阈值电压时，增益选择信号的上调引起反馈电阻的减小和输入电阻的增加，进而实现前置放大器增益的下调。反之，实现前置放大器增益的释放。因此，防破音控制系统的添加实现了前置放大器增益的自动调节，保证放大器在较宽的音频输入范围内正常工作，电路结构简单，动态功耗小，参数设置灵活。
3 测试结果及分析
集成了防破音控制系统的2.0 W单声道K类音频功放，采用0.5 μm CMOS工艺实现。图5为该芯片的照片。
对封装好的样品进行测试，图6给出了当电源电压为4.2 V时，4 Ω喇叭负载，增益设置为24 dB，输入1 kHz频率信号时，该K类音频功放的总谐波失真与噪声（THD+N）及输出功率PO随输入动态范围变化的测试结果。其中图6(a)为未启动防破音控制功能时的测试结果，图6(b)为启动防破音控制功能时的测试结果。从测试结果可以看出，启动防破音控制以后，K类音频功放在输入动态范围为0~1.2 Vrms的范围内，能保持较低的THD+N，即(THD+N)<0.5%；且在0.26~1.2 Vrms的输入动态范围内保持恒定2 W的输出功率。而未启动防破音控制电路时，输入动态范围在0.3 Vrms左右时THD+N就达到10%，且输出功率在0.4 Vrms时达到了3 W，容易造成过载，损坏喇叭。因此，本文提出的防破音控制系统能保证K类音频功放在较低的THD+N和恒定输出功率的情况下, 增大其输入动态范围。
4 结论
本文设计实现了一种可用于K类音频放大器的防破音控制系统。集成该防破音控制系统的2.0 W K类音频功放，已经采用0.5 μm CMOS工艺实现。测试结果表明，通过本文提出的防破音控制系统，可以在保证K类音频功放在较大的输入动态范围内，保持较低的THD+N，即在0~1.2 Vrms的输入动态范围里保持(THD+N)<0.5%，恒定输出功率2.0 W，有效避免了过载对喇叭的破坏，大大提高了输出音质。
参考文献
[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.如何为手机等便携设备选择合乎要求的音频功放[J].集成电路应用，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.