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音频放大器的分类、重要参数、介绍

手机或者其他时尚的便携式多媒体播放器配上优美的旋律,走到哪里都能引来艳羡的目光,特别是在消费者对于音效要求越来越高的今天,好的音效设计就意味着产品成功与否,大红大紫的iPod、iPhone就是对音效重要性的最好证明。而在音效设计过程中,放大器设备又至关重要,无论是传统的A类还是目前炙手可热的D类,不同的选择就意味着产品不同的特性。可是你知道如何为自己的设计选择合适的放大器吗?你知道根据选择放大器种类的不同如何进行五花八门的设计吗?如果在这些问题中你还存在误解,那就请仔细阅读本专题,来自IDT的资深设计工程师及美国国家半导体、美信等厂商的高工,共同为你揭示音频设计路上你应该掌握的研发难题。

一、音频放大器分类

传统的数字语音回放系统包含两个主要过程:1、数字语音数据到模拟语音信号的变换(利用高精度数模转换器DAC)实现;2利用模拟功率放大器进行模拟信号放大,如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期,许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器,这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换,这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。

1、A类放大器

A类放大器的主要特点是:放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作,也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内,所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单,调试方便。但效率较低,晶体管功耗大,功率的理论最大值仅有25%,且有较大的非线性失真。由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。

图一:A类放大器

2、B类放大器

B类放大器的主要特点是:放大器的静态点在(VCC,0)处,当没有信号输入时,输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内,Q1导通Q2截止,输出端正半周正弦波;同理,当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示),所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%),但是因放大器有一段工作在非线性区域内,故其缺点是"交越失真"较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时, Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。
图二:B类放大器

3、AB类放大器

AB类放大器的主要特点是:晶体管的导通时间稍大于半周期,必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大,可以抵消偶次谐波失真。有效率较高,晶体管功耗较小的特点。当信号在-0.6V<+0.6V 之间时,为使Q1,Q2导通,在Q1,Q2的VBE之间增加两个偏置电压,使输入信号在+ - 0.6V之间大小的时候,Q1,Q2也可以线性的放大。这样既可以获得较高的功率效率,又能很好的改善B类推挽式放大器的交越失真。理论上也可达到 78.5%的功率最大值,但实际上功率的最大值在70%左右可能受到输出级拓扑和输出级斜线的影响,在典型的听音条件下(全功率的30%左右),功放的效率为35%左右。
 


图三:AB类放大器
 

4、D类放大器

D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲亮度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器,也称为开关放大器。具有效率高的突出优点.数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成.D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

1. 具有很高的效率,通常能够达到85%以上。

2. 体积小,可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

3. 无裂噪声接通

4. 低失真,频率响应曲线好。外围元器件少,便于设计调试。

如图4所示,PDM信号与PWM信号相比,没有固定的工作频率,其将输入的音频信号调制成一组脉冲宽度相同但是频率不同的PDM信号,有效的改善了PWM带来的EMI问题。目前市场上产品还不是很多。

图四. 该简化功能框图展示了一个基本的半桥式D类放大器的结构。
图五. 输出信号脉宽与输入信号幅值成正比。
PWM(Pulse Width Modulation)中A类、B类和AB类放大器是模拟放大器,D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小,功放晶体管功耗较小,散热好,但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真,频率响应曲线好。外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。

二、音频放大器重要参数

 

1. 电源纹波抑制比(PSRR)电源纹波抑制比(power supply rejection rate)是音频放大器的输入测量电源电压的偏差偶合到一个模拟电路的输出信号的比值。PSRR反映了音频功率放大器对电源的纹波要求,PSRR值越大越好,音频放大器输出音质就越好。
 
 表一:常用的音频放大器性能比较
2. 总谐波失真加噪声(THD+N) 总谐波失真(total harmonic distortion)是指一个模拟电路处理信号后,在一个特定频率范围内所引入的总失真量。噪声(noise)是指通常不需要的信号。有时是由于由于热或者其它物理条件产生的在线路板上的其它电气行为(干扰)。从THD+N的定义中不难看出总谐波失真和噪声越小越好。
3. 信噪比(SNR) 通常指一个模拟信号中有用信号和噪声之间的比值。
4. 增益(AO) 对音频功率放大器来说增益通常指放大器输出功率和输入功率之间的比值。增益越大说明放大器的效率越高。
5. 最大输出功率(POCM)输出功率反映了一个音频功率放大器的负载能力,通常音频放大器厂家会提供产品的在工作电压一定条件和额定负载下的的最大输出功率。
 
表二:常用的音频放大器性能比较
6. 关断电流(Shutdown current)和输出偏移电压(Output Offset Voltage)。

关断电流越小,说明在待机条件下的放大器功耗小。输出偏移电压小有利于电池寿命的延长。

三、手机常用音频放大器介绍

简单介绍目前手机设计中音频放大器有AB类放大器也有D类,主要的生产厂家有美国国家半导体公司(NS)、美国德州仪器(TI)、意法半导体公司(ST)、美国安森美公司(ONSEMI)。他们代表性的产品及其性能比较如表1 和表2所示。其中NCP2890和NCP2809为美国安森美公司产品,LM4890和LM4911为美国国家半导体公司产品,TS4890为意法半导体公司产品,TPA6203A1为美国德州仪器的产品,MAX4410为美信公司产品(MAXIM)。

下面以ONSEMI公司产品为例介绍一下音频功率放大器在手机中的应用,电路图如图6、7所示。
 


图六:NCP2890放大电路典型设计
 

NCP2890在工作电压5V时能够给8欧姆负载持续提供1W的最大输出功率,而在工作电压2.6V时能够给4欧姆负载提供320 mW 的输出功率。如图5所示NCP2890能够提供高质量的音质,芯片自身带的逻辑关断设计模式,使电路设计中芯片的周围器件少和自身功耗小。在 NCP2890内部专门设计了消噪声电路,消除了功率放大器在开启和关闭过程中会产生人耳可听到的噪声。开机时,逻辑高电平加到开关控制端,旁路电容上的直流电压值开始按指数规律增加,当电压值达到共模电压值(Vp/2)时,开始输出功率(此过程大约50ms);而关机时,控制端接低电平,负载被连接到接地端,输出功率为零,此时电路的直流静态电流小于100nA。尽管NCP2890内部含有过流和过热保护电路,但是在使用时,一定要注意供电电源电压不能超过其极限值,以免造成芯片损坏。

图七:NCP4894放大电路立体声设计
NCP4894是ONSEMI公司专门为移动设备设计的一款全微分音频功率放大器。NCP4894 做为一款优秀的音频功率放大器能够提供高质量的声音,尤其用在手机设计中优点尤为突出。NCP4894的总谐波失真加噪声(THD + N)比小于0.01% 。在工作电压5V,负载8欧姆时它的输出最大功率为1W,在工作电压2.6V时,输出功率为250mW.

NCP2890和NCP4894以及NCP4896,都可用在手机设计中,他们的小封装形式可以提高PCB的利用率。

四、便携式设计中音频放大器选用的几点建议

 

1. 采用了全差分输入及输出的音频功率放大器,提高电源抑制比。
2. 尽量采用效率高,功耗低,内部升温小的设计,这样可以延长电池和芯片的使用寿命。在有限带宽设计时,建议使用D类放大器。
3. 音频放大器在使用时一定要注意供电电源电压不能超过其极限值,以免造成芯片损坏。


五、音频放大器产品展望

现在消费者追求着小巧的外型、低功耗、低价格以及听力的舒适感。供应商也逐渐认识到,必须在这些方面有所改进,才能使消费者愿意花钱来购买这些音频设备。同时,他们也努力减小噪声的干扰。然而数字电路和模拟电路的同时存在,使得这项任务变得更加困难。

凭借诸如极佳的功率效率、较小的热量以及较轻的供电电源等优点,D类放大器正在音频世界掀起风暴,随着技术的成熟以及其所达到越来越好的声音重现效果, D类放大器将主导音频放大器市场。

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