一种低功耗多模式AB 类音频放大器的设计

徐凯英，丁 宁，孔祥艺，黄立朝

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

音频放大器根据放大器的工作状态，通常分为A类、B 类、AB 类、D 类等。不同的音频放大器在失真、功耗、效率、噪声和成本等方面有不同的优缺点，实际应用时单一种类的放大器很难覆盖所有优点[1-3]。文献[3]中D 类音频放大器效率最高，但由于其工作时由开关信号控制，存在难以控制的总谐波失真（THD）。在高品质、低失真应用环境中，AB 类音频放大器仍旧是市场主力[4]。

传统的AB 类音频放大器，如文献[4-6]所述，LM4871 输出级采用桥式连接，不兼容耳机负载，且其工作在电源电压低于5 V 和小电流环境时，信号失真严重。设计一款低功耗、高保真同时能兼容耳机和扬声器的AB 类音频放大器将会有较好的市场前景。

本文提出的改进后的AB 类音频放大器设计与文献[7]的设计相比，支持负载状态检测，可切换耳机和扬声器模式，通过调整主从运放的工作状态，显著降低了芯片在耳机负载下的功耗，全负载模式下总谐波失真为0.02%，优化后的放大器功耗和失真率低，音效品质符合要求。

2 多模式音频放大器芯片的电路设计

2.1 耳机检测模块设计

耳机检测模块用于检测耳机的插入，由于扬声器和耳机模式的负载电阻不同，不同电流环境下，仅依靠电流检测功能难以实现检测耳机插入的功能，需要独立的耳机检测模块。

2.1.1 耳机检测电路

耳机检测模块的电路结构如图1 所示，耳机检测模块由一个比较器组成，电流源提供偏置电流，比较器其他结构由NMOS 管N1～N5构成的开环2 级运放组成，差分输入端N1和N2管的栅极一端连接基准电流并将其转化为基准电压Vref，另一端连接芯片的BTL 引脚，当BTL 引脚有耳机接入时，运放输出端翻转，N4的漏极输出高电平，使能耳机的控制逻辑模块。

图1 耳机检测模块的电路结构

2.1.2 耳机模式控制逻辑

当无耳机插入时，比较器输出低电平0，耳机控制模式逻辑输出0，主运放和从运放均正常工作。当有耳机接入时，比较器输出由0 翻转至1，输出高电平给控制逻辑，控制模块使能，关闭主运放的偏置电流，主运放无偏置电流不工作，音频放大器变为单端输出，音频放大器整体工作电流减小，从运放输出放大后的音频信号给耳机，具体的工作模式如表1 所示。

表1 音频放大器的工作模式

2.2 多路基准电流源设计

由于扬声器和耳机模式下提供给负载的电流大小并不相同，需要设计独立的多路基准电流源为内部模块提供偏置电流，当模式切换时，通过关断对应支路的基准电流，可同时兼容扬声器和耳机负载。为使基准电流不随温度波动，需构建正、负温度系数相抵消的电流，高精度多路基准电流源结构如图2 所示，图2 中Q1～Q5均为NPN 型双极型晶体管，VT为NPN 管基极-发射极的热电压，Q3和Q4发射结电压之差为正温度系数，R 为负温度系数的电阻，关系见式（1），N 为Q4发射极和Q3发射极面积之比，通过正、负温度系数抵消产生了基准电流Ibias，实现了不随温度变化的基准电流源[7]。

图2 高精度多路基准电流源结构

当N 为9 时，偏置电流为10 μA，图2 中M1～M5构成4 组电流镜，通过调整图2 右侧M2～M5管的宽长比，基准电流源模块可输出4 路独立的偏置电流。Ibias1为主运放的偏置电流，Ibias2为从运放的偏置电流，Ibias3供给过流保护模块，Ibias4供给耳机检测模块。电流源模块为整个音频放大器的核心模块之一，实现对其他模块的控制，使能和关闭对应模块的偏置电流支路，可实现对应的逻辑控制功能。

2.3 过流保护模块

由于AB 类音频放大器存在交替导通的工作环境，若出现异常，放大器同时导通，输出晶体管过流，产生的瞬时大电流会损坏音频放大器[8]。根据AB 类音频放大器的工作模式，过流保护模块需支持耳机模式过流保护、扬声器模式过流保护以及异常状态过流保护。

根据功能需求设计的过流保护模块如图3 所示，PNP 管Q1～Q3和Nm1～Nm2构成比例电流镜，通过比例电流源结构，将P4管和电流源的电流比值设置为320∶1，即P4管所在支路的电流为基准电流的320 倍，当电路短路到地时，瞬时大电流达到所设定的过流保护阈值，会使P3管翻转触发关断逻辑。同样，当处于耳机模式时，P2管翻转触发关断逻辑。当电路正常工作时，P1管所在支路出现超限电流，也会使保护结构的逻辑翻转。

图3 过流保护模块电路结构

2.4 音频放大器整体模块

AB 类音频放大器电路结构如图4 所示，偏置电流模块支路用电流源代替，待放大的音频信号由VIN端输入，经过主运放放大后输出到从运放，从运放接成单位增益缓冲器的形式，将放大后的音频信号进行反向电压跟随，双运放同时工作驱动扬声器。当有耳机插入时，音频放大器进入耳机模式，主运放关闭，从运放单独工作，驱动耳机负载。

图4 AB 类音频放大器整体电路结构

3 芯片版图设计

音频放大器的音频核心模块为2 个同样大小的功率放大器，2 个功率放大器的功率管均采用阈值电压为0.4 V 的低阈值管，可使音频放大器工作在低电源电压模式。主运放和从运放在版图上应该对称分布，降低工艺因素对运放匹配性的影响，从而降低音频放大器的失调引起的失真，提高音频放大器的音质。芯片版图如图5 所示，运放位于芯片顶部，左右对称分布。

图5 音频放大器整体版图

4 芯片仿真及实测

提取版图寄生参数后，选用Hspice 进行后仿真，验证音频放大器在扬声器模式下的功能。电源电压设置为5 V，当耳机未插入时，芯片BTL 端电压设置为0 V，音频放大器工作在桥式负载模式，输入引脚VIN加上偏置电压为2.6 V、信号幅值为1 mV 的正弦信号，观察主运放和从运放的输出波形。后仿真波形如图6 所示，纵坐标为电压，主运放、从运放输出相位相反、幅值大小相同的正弦波，加在负载2 端构成桥式连接，运放无失真地输出幅值放大后为1 V 的波形，音频放大器正常工作于扬声器模式。

图6 音频放大器扬声器模式后仿真输出波形

根据耳机检测模块的工作原理，当耳机插入后，BTL 端有电压输入，耳机检测模块输出翻转，输出5 V的高电平，主运放停止工作。当耳机拔出，引脚无电压输入，输出低电平，主运放打开。测试时对芯片的BTL引脚电压从0 V 扫描至5 V，再从5 V 扫描至0 V，观察逻辑模块的输出电压，耳机检测模块实测波形如图7 所示，翻转阈值电压为4.12 V，迟滞电压为0.3 V，即当模式切换时，若电压高于4.12 V 耳机工作，若电压低于3.82 V 扬声器工作，当处于3.82～4.12 V 时维持上一状态，不会出现耳机和扬声器混响，仿真结果表明音频放大器可检测耳机的热插拔，支持2 种模式正常切换。

图7 耳机检测模块实测波形

同样的电源电压环境下，实测参数对比现有同类型芯片和近年相关论文研究结果，选择流片工艺均为5 V BCD 工艺，音频放大器主要参数如表2 所示。本研究设计的音频放大器在扬声器输出功率基本相同时，耳机模式静态功耗低至32.5 mW，芯片在耳机模式下功耗显著降低，同时总谐波失真满足高品质音效要求。

表2 音频放大器主要参数对比

5 结论

音频放大器需兼容耳机和扬声器应用模式，为降低耳机模式的功耗，基于AB 类放大器设计了可单运放工作、同时支持扬声器负载的音频放大器。改进后的音频放大器的功耗低至32.5 mW，在同样的电源电压环境下，扬声器输出功率达到3 W，耳机负载可输出功率达到0.15 W，同时全负载失真为0.02%，用在支持耳机的音频电子设备中可显著提升效率，具有良好的应用前景。