D类音频系统中斩波运放电路的设计

　　主运放采用全差分折叠式cascode结构，在Class-D的结构中，由于输出功率MOSFET大电流的频繁开启，产生的电磁干扰(EMI)会在电源上形成很强的纹波，在实际应用中发现当芯片工作在5V的电源电压下，EMI引起的电源波动能达到±2V，全差分结构既可以提高运放的电源抑制比和共模抑制比，减弱电源噪声和共模噪声的影响，而且避免了镜像极点，因而对于更大的带宽仍能表现出稳定的特性。

　　为了提供更高的增益和电压输出摆幅，在fold-cascode后加入共源运放输出级。采用二级运放后．对运放的频率稳定性进行分析。暂时不考虑斩波开关的影响，可以推断该电路至少有三个LHP极点，它们分别是miller补偿电容引入的主极点Wp1，输出滤波电容产生的输出极点Wpout。为第一非主极点，以及folded-cascode(MN1的漏端、MN3的源端)引入的非极点Wp3，三者之间的关系为Wp1<Wpout<Wp3。另外从电路可以看出，在共源输出级产生了一个低频的RHP零点，通过引入miller补偿电阻将此零点从右半平面移动到左半平面并抵消第二极点。为了进一步减小高频干扰，系统输出级通过电容接地，滤除高频信号。

　　共模反馈电路由MN7～MN10、MP10-MP12构成，输入一端接VDD／2的基准电压，另一端接主运放的共模输出，共模检测电路由电阻和电容构成．经过误差放大后调控主运放的偏置电流。

　　4 仿真结果及版图设计

　　在SMIC O．35微米N阱工艺下．利用cadence spectre工具对本文所设计的电路进行了仿真分析。其中，各器件的工艺参数为典型情况，电源电压5V，输入信号为幅度10uV，频率为1KHz的标准正弦波，斩波频率fch=150K，仿真波形如图5和图6所示。

　　　　　　　　　　　　图5 运放的幅频~相频特性曲线

　　　　　　　　　　　　　图6 斩波输出波形

　　从图5可以看出，在典型情况下，该运放的主极点在10HZ以内，相位裕度75度左右．能充分保证运放在各个comer条件下的稳定性。从输fn波形来看，斩波引起的残余电压尖峰也有了明显的改善。表1为运放的开环仿真结果。

　　表1运放开环仿真结果

       该电路的版图采用SMIC 0.35um工艺规则设计并对版图进行优化，衬底接地采用全封闭的double gardring，有效降低了衬底的耦合噪声，差分对采用哑栅共质心匹配降低输入电压失调。另外，为了减小外围电路对运放的干扰，将后后级的滤波电容分散在运放电路的周围，优化后的版图面积为0．24mmx0．34mm，概貌如图7。

　　　　　　　　　　　　图7 版图布局

　　5 结论

　　D类音频功放的1/f噪声和电压失调对信号的失真和噪声性能产生直接的影响，特别是在输入信号为零时的背景噪声最为明显，通过采用全差分斩波运放电路和T/H解调技术，有效地降低了系统的低频噪声和电压火调。流片后的对芯片的测试表明，该电路使Class-D的噪声性能有了很大的改善。

　　本文作者创新点：采用全差分斩波运放电路和T/H解调技术，有效地降低了D类音频系统的低频噪声和电压失调。

　　项目经济效益：本项目已流片成功，根据Forward Concepts lnc数据显示2008年全球D类音频功放的总产值高达8亿美金。