一种增益可控音频前置放大器电路的设计

收稿日期：２００９—０８—２５；定稿日期：２００９—１１—１６ 基金项目：国家科技重大专项（２００９ＺＸ０２３０４－００３—１）
万方数据
第２期
潘文光等：一种增益可控音频前置放大器电路的设计
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反馈电阻与输入电阻的比值，进而调节增益的变化。
在此音量控制中。增益控制模块主要包括模拟控制 信号输入缓冲级、比较判决电路、控制逻辑及可逆计 数器、数模转换模块（ＤＡＣ）、时序电路和输出缓冲级。
第４０卷第２期
微电子学
Ｖ０１．４０，Ｎｏ．２
·２＿０＿１ｌ０＿年 ·＿４＿月－ｌ＿●ｌ＿Ｉ＿·－＿·＿＿·＿●Ｉ＿Ｉｌ＿＿ｌ－ｌ＿ｌ·＿ｌＭｌｉｃ·ｒｏ·ｅｌ－ｅＩｃｔｌｒｌｏ－ｎＩｉ＿ｃｓＩ·ｌＩ＿＿＿＿＿·ｏ鼍！●＿ｌＩｌｌ＿·＿ｌ＿＿＿·＿－ｌｌＡｐ＿ｒ－． Ｉ＿２·０１＿０ｌ＿－
一种增益可控音频前置放大器电路的设计
年
增益控制模块设计
增益控制模块（Ｇａｉｎ ｃｏｎｔｒ０１）的作用就是实现 模拟输入到数字输出的转换，就是一个模数转换器 （ＡＤＣ），其结构如图３所示。增益控制模块实际上 是一个简化的逐次逼近型ＡＤＣｔ ３’４｜。音量控制要经 过人耳的反应时间，对采样速度要求很低，且精度要 求也不高。逐次逼近型ＡＤＣ具有低功耗、芯片面积 小、输｝Ｈ数据不存在响应时问等特点，所以适合应用
ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔ，ＤＣ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ－ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ａｎｄ ｂｙ
ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ－ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ａｕｄｉｏ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ １３（３
Ｆｉｇ．７
图７比较器电路 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ
图５直流音量控制的工作方式 Ｆｉｇ．５ ＤＣ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
由于系统要求增益可增、可减，同时又有稳定状 态，所以至少需要两个比较器，提供三种输出状态， 对应三个系统状态。采用图６所示的两个非平衡比 较器的组合输出，就能够实现ｉ种状态：０１，１０，ｏｏ。 对应三个系统状态，同时实现了迟滞的功能。
图３增益控制结构 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｇａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ
外部输入的直流模拟控制信号％的电压范围
为Ｏ～‰。比较判决电路在每个时钟周期产生一
组数据，控制逻辑及可逆计数器模块根据该组数据 控制数模转换器（ＤＡＣ），将相应的模拟电压反馈到 比较判决电路中，准备进行下一次比较。时序电路 为控制逻辑及可逆计数器电路提供时钟信号，由于 要适应人耳的反应时间，频率为６０ Ｈｚ。 ３．１ 模拟控制信号输入缓冲级电路
Ｖｂ
图１前置放大器结构框图 Ｆｉｇ．１ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ－ａｒｎｐｌｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ 运算放大器采用两级级联结构，如图２所示［２］。 第一级采用ＰＭＯＳ输入的折叠式共源共栅放大器 提供大增益，同时增加输入共模范围，减小闪烁噪 声。折叠输入管的负载采用带源极反馈结构的电流 源负载，增加输出阻抗，减小噪声。第二级采用共源 放大器提供大摆幅。为保持闭环的稳定性，加入密 勒补偿电容，同时，为了抵消右半平面零点的影响， 在补偿电容的前馈通路中插入与补偿电容串联的调 零电阻。在共模反馈电路的设计中，采用有电阻分 配器和放大器的共模反馈结构‘１｜。
１ 引言
在现今几类基本的功放结构中，ＡＢ类功率放 大器能够提供高品质的信号放大性能，非常适合耳 机和一些小功率喇叭的应用。更多的便携式产品对 多媒体功能有着更高的要求，立体声音频、３Ｄ环绕 音效，以及大音量输出已经逐渐成为新一代便携式 多媒体产品必不可少的功能。采用ＰＷＭ调制技术 的Ｄ类音频功率放大器以其高效率、低功耗等优 点，在上述产品应用中逐渐占据主导地位。
模拟电压经过片内模数转换器转换成数字控制信号，控制前置放大器的输入电阻与反馈电阻的比
值，从而实现前置放大器的增益控制。该放大器能够实现３２档的音量控制范围，增益』ｋ－５０ ｄＢ变
化到２５ ｄＢ，电路版图面积为１．２ ｒｎｒｆｌ×０．８ ｍｎｌ。
关键词：音频功率放大器；音量控制；前置放大器
中图分类号：ＴＮ７２２．７十５
等原因引起的比较器在比较阈值附近错误地持续翻 转，进而导致放大器增益处于不稳定状态。该比较 判决电路的判决必须具有迟滞功能。迟滞功能能够 保证增益单调变化，且处于稳定状态。图５是前置 放大器增益随控制电压升高和降低时的变化曲线。 １００ ｍＶ的迟滞空间保证了比较器的输出状态不受 噪声等干扰的影响。
一 ２０１０年
小，最终稳定在最小值，对应增益逐渐减到最小。图
１１是前置放大器的输Ｈ｛波形。从图中可以看到，模
拟输出波形逐渐变大、稳定，然后又逐渐变小。
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ｂ：ＳＳ ２７
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№９
图９运放的闭环幅频及相频响应曲线 Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｒｅｓｐｏｒｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅ＆ｌｏｏｐ ＯＰＡ
潘文光１，于云丰１，马成炎２，叶甜春１ （１．中国科学院微电子研究所，北京１０００２９；２．杭州中科微电子有限公司，杭州３１００５３）
摘要：设计了一种基于Ｏ．５肚ｍ ＣＭＯＳ工艺的增益可控音频前置放大器电路。该电路采用直
流音量控制方式控制前置放大器的增益，进而实现整体音频放大器的音量控制。外部输入的直流
４ 仿真结果与版图设计
图９是全差分运算放大器的仿真结果。采用 Ｃａｄｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｅ仿真，运放Ｔ作在单位增益负反馈 下，负载为４．５ ｐＦ，Ｖ∞＝５ Ｖ，温度为２７℃，得到 各个工艺角的仿真结果：开环增益大于１２０ ｄＢ，单 位增益带宽大于１５ ＭＨｚ，相位裕度大于９５。。
外部直流电压Ｖｃ控制数字信号的输出。％
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图６两个非平衡比较器的组合 Ｆｉｇ．６ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔＷＯ ｉｍｂａｌａｎｃｅｄ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ
内部比较器采用开环工作的运算放大器。由于 要求比较器的输入范围广、增益高，所以设计中采用 两级级联的全摆幅输入结构折叠式共源共栅放大 器［２ｌ。在比较器结构中引入电阻Ｒ帑，使比较器成 为非平衡比较器，具体结构如图７所示。 ３．３数模转换模块
数模转换电路采用电压按比例缩放ＤＡＣ结
构嘲，如图８所示。将基准电压Ｕ，转换成３２个电
压值，根据输入码字，将其译码成单个模拟电压输 出。这种结构的ＤＡＣ在设计版图时结构规则，很 适合Ｍ（）Ｓ工艺。同时，由于每个抽头的电压值都 不可能低于下面的抽头，因此保证了单调性。
图８电压按比例缩放８位ＤＡＣ电路 Ｆｉｇ．８ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ８－ｂｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｃａｌｉｎｇ ＤＡＣ ３．４控制逻辑及可逆计数器
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图４单位增益负反馈运算放大器电路 Ｆｉｇ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ＯＰＡ ｗｉｔｈ ｕｎｉｔ ｇａｉｎ ｎｅｇａｔｉｖｅ
ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
３．２比较判决电路 该模块是实现增益变化的判决模块，决定增益
变高还是变低。为实现增益的单调变化，避免噪声
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潘文光等：一种增益可控音频前置放大器电路的设计
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图２两级级联运算放大器电路 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ２－ｓｔａｇｅ ｃａｓｃａｄｅｄ ＯＰＡ
模拟输入缓冲级电路采用单位增益负反馈结构 的运放。由于外界输入信号范丽广（Ｏ～Ｖｗ），所以 运放的输入输出范围是设计的关键。设计中，采用 全摆幅的输入输出结构，以达到输入输ｆＢ的范同要 求。运放的具体结构如图４所示［２］，第一级采用全 摆幅输入结构折叠共源共栅结构，提供大增益，第二 级采用共源极结构，达到最大的输出摆幅。为保持 闭环的稳定性，同样加入密勒补偿电容和调零电阻。
２ 增益可控前置放大器电路实现
在本设计中，前置放大器的增益控制采用直流音 量控制方式，其具体实现如图１所示。前置放大器是 由全差分运放和电阻构成的反相比例放大器，其增益 由反馈电阻与输入电阻的比值决定。外部输入的直 流模拟控制信号％，经过增益控制模块（Ｇａｉｎ Ｃｏｎ— ｔｒｏｄ转换成控制数据，此数据用来控制前置放大器的
的输人电压起初为５ Ｖ，之后跳变到０ Ｖ，对应的数
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潘文光等：一种增益可控音频前置放大器电路的设计
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字输ｆ｛｛控制字的波形如图１０所示。５路数字输出
控制字在时钟控制下依次增大，最终稳定在最大值， 对应增益增加到最大。Hale Waihona Puke Baidu外部输入电压Ｋ跳变到
０ Ｖ后，５路数字输出控制字在时钟控制下依次减
ｆｅｒ ａ ３２－ｓｔｅｐ ＤＣ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｒｏｍ一５０ ｄＢ ｔＯ
ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｃｃｕｐｉｅｓ ａ ｌａｙｏｕｔ ａｒｅａ ｏｆ １．２
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ａｕｄｉｏ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；Ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｐｒｅ－ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
ＥＥＡＣＣ： １２２０
ａｎａｌｏｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｇｎａｌ ｗａｓ ｃｏｎｖｅｎｅｄ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｏｎ－ｃｈｉｐ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔＯ ａｄ—
２５掘Ｔｈｅ ａｒｎＸＯ．８眦 ｊｕｓｔ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔＯ ｉｎｐｕｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｕｓ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｇａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ－ａｍｐｌｉｆｉｅｒ．Ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｏｕｌｄ ｏｆ—
２．Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｚｈｏｎｇｋｅ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００５３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ａ ｖａｒｉａｂｌｅ－ｇａｉｎ ｐｒｅ－ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ａｕｄｉｏ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｉｎ ０．５－ｔ＿￡ｍ ＣＭＯＳ
音量控制是功率放大器最基本的控制功能，理 想的音量控制应该操作方便、直观，不产生附加噪 声。目前常见的音量控制方式是用一电位器作衰减 控制，控制进入放大器的输入信号幅度，属于模拟型 的音量控制。由于信号经过额外的电阻衰减器，所
以信噪比降低。还有一种方式是基于控制增益，通 过调节放大器的增益来实现音量控制。与第一种方 式相比，这种控制方式结构简单，容易实现遥控功 能，同时能够提供较高的信噪比。本文基于０．５弘ｍ ＣＭＯＳ工艺，设计了一款片上集成的增益可控音频 前置放大器。该电路能够应用在ＡＢ类和Ｄ类放大 器中，实现整个系统电路的音量控制。
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４－３３６５（２０１０）０２－０１８６－０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｖａｒｉａｂｌｅ－Ｇａｉｎ Ｐｒｅ－Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ Ａｕｄｉｏ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
ＰＡＮ Ｗｅｎｇｕａｎ９１，ＹＵ Ｙｕｎｆｅｎ９１，ＭＡ Ｃｈｅｎｇｙａｎ２，ＹＥ Ｔｉａｎｃｈｕｎｌ （１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ。ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ。Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；
数字控制逻辑可以采用文献［３一］中提到的逐次 逼近寄存器，实现快速搜索。考虑到实际应用中音 量控制时需要连续的变化，设计中数字逻辑控制的 搜索是连续的。采用可逆计数器实现连续搜索。控 制逻辑模块根据比较判决电路的输出状态进行相应 的操作；控制可逆计数器实现相应上升或下降的计 数变化。同时对极限情况（增益最大和增益最小）作 相应的处理，以保证电路正常Ｔ作。