D類音頻系統(tǒng)中斬波運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)

1 引言

在D類音頻放大器的運(yùn)放電路設(shè)計(jì)中，信號的低諧波失真(Total Harmonic distortion)和噪聲對運(yùn)放的設(shè)計(jì)形成挑戰(zhàn)。對于20～20KHz范圍的音頻信號而言，運(yùn)放的失真主要是由電壓失調(diào)和低頻1/f噪聲引起的。而CMOS工藝相對較高的1/f噪聲和電壓失調(diào)，使得這一問題尤為嚴(yán)重。當(dāng)要求電路的失調(diào)電壓低于1mV且輸入等效噪聲低于100nV/Hz時(shí)。普通的CMOS運(yùn)放很難滿足需求。而常見的靜態(tài)失調(diào)消零技術(shù)，如trimming修調(diào)，雖然能很好地消除電壓失調(diào)的影響，但是卻不能降低1/f噪聲。解決這個(gè)問題的最好方法就是采用動(dòng)態(tài)消零技術(shù)(dynamic offset—cancellation techniques)，如自動(dòng)穩(wěn)零和斬波技術(shù)。自動(dòng)穩(wěn)零技術(shù)(Auto zero tiechnique)是通過對低頻噪聲和失調(diào)進(jìn)行采樣，然后在運(yùn)算放大器的輸入或輸出端將它們從信號的瞬間值中減去，實(shí)現(xiàn)對失調(diào)和噪聲的降低。由于自動(dòng)穩(wěn)零技術(shù)使用的是電容采樣的原理，因此在電路工作中極易將寬帶熱噪聲折疊到基帶頻率內(nèi)，并且運(yùn)放的帶寬越寬，采樣電容上的噪聲也越多，通常高達(dá)70nV/Hz。斬波技術(shù)(Chopper Technique)是采用調(diào)制和解調(diào)原理，將低頻噪聲和失調(diào)搬移到高頻部分，使用低通濾波濾除，由于沒有熱噪聲的混疊，因此運(yùn)放的噪聲電壓比自動(dòng)穩(wěn)零技術(shù)的更低。但是斬波開關(guān)電荷注入和電荷饋通效應(yīng)的影響，仍然可以產(chǎn)生100uV左右的殘余電壓失調(diào)(residual offset)。而且斬波開關(guān)的使用，器件的熱噪聲電平將會(huì)有所增加。

為此，本文在0.35微米N阱工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了單電源供電的全差分?jǐn)夭ㄟ\(yùn)放電路，同時(shí)，為了減小殘余電壓的失調(diào)， 采用了T/H(跟蹤-保持)解調(diào)技術(shù)，該電路在斬波頻率150KHz工作時(shí)，輸入等效噪聲達(dá)到31.12nV/Hz。

2 斬波運(yùn)放的工作原理

斬波運(yùn)放的原理如圖1所示，其中Vin是輸入音頻信號，被頻率為fch，幅度為1的斬波開關(guān)調(diào)制，根據(jù)奈奎斯特采樣原理，為了避免信輸入信號的混疊，fch必須遠(yuǎn)大于2倍的信號帶寬。

圖1 斬波運(yùn)放的原理

經(jīng)過調(diào)制后，信號的被搬移到斬波方波的奇次諧波頻率上。此信號被增益為Av的運(yùn)算放大器放大，同時(shí)運(yùn)放的輸入噪聲和輸入失調(diào)電壓也被運(yùn)放放大，運(yùn)放的輸出經(jīng)過幅度為1，頻率為fch的斬波開關(guān)調(diào)制后，輸出信號為：

從式(1)可以看出，經(jīng)過第2次斬波后，輸入音頻信號被解調(diào)到低頻段，而運(yùn)放的電壓失調(diào)和低頻噪聲只經(jīng)過一次調(diào)制后被搬移到斬波方波的高頻奇次諧波上，通過低通濾波后，輸出信號中的高頻分量被濾除，低頻分量還原為音頻信號，從而實(shí)現(xiàn)了對音頻信號的精確放大。

對輸出信號進(jìn)行傅立葉分析，得到運(yùn)放的最終輸入噪聲譜密度(PSD)為：

其中系數(shù)K與工藝的噪聲參數(shù)有關(guān)。

3 運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的斬渡放大器為CMOS全差分電路結(jié)構(gòu)。由斬波開關(guān)、主運(yùn)放電路、輸出級和共模反饋電路四部分組成。電路的工作電壓范圍2.5V～5.5V。斬波運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 斬波運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)

輸入斬波開關(guān)完成對音頻信號的調(diào)制作用，斬波開關(guān)在時(shí)鐘上沿和下沿都會(huì)引入殘余電壓失調(diào)，圖3為零輸入時(shí)殘余失調(diào)電壓的波形。

圖3(a)殘余失調(diào)電壓(b)斬波信號

圖4T/H解調(diào)及控制時(shí)序

通過對CMOS開關(guān)特性分析可以得出等效輸入殘余失調(diào)電壓為Vos,rmts=2Vspiketfch，其中t是MOS開關(guān)的時(shí)間常數(shù)，從此式可以看出消除殘余電壓失調(diào)有三種方法：

1.降低斬波頻率：

2.減小輸入電阻；

3.減小斬波開關(guān)的電荷注入效應(yīng)。

由于MOS管1/f噪聲的拐角頻率一般都在幾十KHz以上，減小斬波頻率不能很好地對1/f噪聲進(jìn)行調(diào)制，而輸入電阻只與信號源內(nèi)阻有關(guān)，在設(shè)計(jì)中很難將輸入電阻降低，因此只能考慮減小開關(guān)的電荷注入效應(yīng)。為此輸入斬波開關(guān)采用互補(bǔ)時(shí)鐘結(jié)構(gòu)，在尺寸上使用最小線寬，一方面能夠減小傳輸?shù)膶?dǎo)通電阻，提供較大的電壓擺幅；另一方面減小了電荷注入和饋通的影響，降低了殘余電壓失調(diào)?？紤]到PMOS管比NMOS管的1/f噪聲特性好，所以輸入管MP1和MP2采用大面積的PMOS管，既能減小因器件的失配引起的電壓失調(diào)，又可以降低晶體管1/f噪聲的拐角頻率，改善運(yùn)放的噪聲特性。

為了更小地降低殘余電壓失調(diào)，fold—cascode運(yùn)放的輸出采用T/H解調(diào)技術(shù)，電路結(jié)構(gòu)和時(shí)序如圖4。該電路的工作原理：在跟蹤信號時(shí)K1~K4閉合，K5~K8斷開，輸出信號保持在電容C1和C2上，當(dāng)電路輸出時(shí)，K1~K4斷開，K5~K8閉合，C1和C2的電壓值加載到負(fù)載電容C3上求和。由于C2上的電壓疊加到負(fù)載電容時(shí)經(jīng)過了反向，因此放大器的殘余電壓失調(diào)能夠有效地抵消。由于解調(diào)器采用高阻結(jié)點(diǎn)斬波。因此可以使用較小面積的NMOS管開關(guān)，減小對輸出極點(diǎn)的影響。

發(fā)布者：小宇