手機(jī)設(shè)計(jì)中音頻功率放大器介紹

前言：一部精美的手機(jī),配上悅耳的鈴聲，無論走到哪里都能引來無數(shù)羨慕的目光。手機(jī)聲音音質(zhì)的好壞對(duì)手機(jī)設(shè)計(jì)成功與否有著重大的影響,而功率放大器對(duì)音色的還原質(zhì)量,有著舉足輕重的作用。下面就音頻放大器(Audio power amplifier)在手機(jī)中的應(yīng)用做一下簡單的分析。

一、音頻放大器分類

傳統(tǒng)的數(shù)字語音回放系統(tǒng)包含兩個(gè)主要過程：1、數(shù)字語音數(shù)據(jù)到模擬語音信號(hào)的變換(利用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC)實(shí)現(xiàn)；2利用模擬功率放大器進(jìn)行模擬信號(hào)放大，如A類、B類和AB類放大器。從1980年代早期，許多研究者致力于開發(fā)不同類型的數(shù)字放大器，這種放大器直接從數(shù)字語音數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)功率放大而不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，這樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或者D類放大器。

1、A類放大器

A類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近,晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25％，且有較大的非線性失真。 由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。

2、B類放大器

B類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的靜態(tài)點(diǎn)在(VCC，0)處，當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導(dǎo)通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當(dāng)Vi為負(fù)半波正弦波(如圖虛線部分所示)，所以必須用兩管推挽工作。其特點(diǎn)是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是"交越失真"較大。即當(dāng)信號(hào)在-0.6V~ 0.6V之間時(shí)， Q1 Q2都無法導(dǎo)通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。

3、AB類放大器

AB類放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)在-0.6V

4、D類放大器

D類(數(shù)字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖亮度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM或PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn).數(shù)字音頻功率放大器也看上去成是一個(gè)一比特的功率數(shù)模變換器.放大器由輸入信號(hào)處理電路、開關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開關(guān)電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成.D類放大或數(shù)字式放大器。系利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號(hào)的。

具有很高的效率，通常能夠達(dá)到85%以上。

體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。

無裂噪聲接通

低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試。

PDM信號(hào)與PWM信號(hào)相比，沒有固定的工作頻率，其將輸入的音頻信號(hào)調(diào)制成一組脈沖寬度相同但是頻率不同的PDM信號(hào)，有效的改善了PWM帶來的EMI問題。目前市場上產(chǎn)品還不是很多。

A類、B類和AB類放大器是模擬放大器，D類放大器是數(shù)字放大器。B類和AB類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小，功放晶體管功耗較小，散熱好，但B類放大器在晶體管導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換過程中會(huì)因其開關(guān)特性不佳或因電路參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少優(yōu)點(diǎn)。AB類放大器和D類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式。

二、音頻放大器重要參數(shù)

電源紋波抑制比(PSRR)電源紋波抑制比(power supply rejection rate)是音頻放大器的輸入測量電源電壓的偏差偶合到一個(gè)模擬電路的輸出信號(hào)的比值。PSRR反映了音頻功率放大器對(duì)電源的紋波要求，PSRR值越大越好，音頻放大器輸出音質(zhì)就越好。

總諧波失真加噪聲(ＴＨＤ＋Ｎ) 總諧波失真(total harmonic distortion)是指一個(gè)模擬電路處理信號(hào)后，在一個(gè)特定頻率范圍內(nèi)所引入的總失真量。噪聲(noise)是指通常不需要的信號(hào)。有時(shí)是由于由于熱或者其它物理?xiàng)l件產(chǎn)生的在線路板上的其它電氣行為(干擾)。從ＴＨＤ＋Ｎ的定義中不難看出總諧波失真和噪聲越小越好。

信噪比(SNR) 通常指一個(gè)模擬信號(hào)中有用信號(hào)和噪聲之間的比值。

增益(AO) 對(duì)音頻功率放大器來說增益通常指放大器輸出功率和輸入功率之間的比值。增益越大說明放大器的效率越高。

最大輸出功率(POCM)輸出功率反映了一個(gè)音頻功率放大器的負(fù)載能力，通常音頻放大器廠家會(huì)提供產(chǎn)品的在工作電壓一定條件和額定負(fù)載下的的最大輸出功率。

關(guān)斷電流(Shutdown current)和輸出偏移電壓(Output Offset Voltage)。

關(guān)斷電流越小，說明在待機(jī)條件下的放大器功耗小。輸出偏移電壓小有利于電池壽命的延長。

三、手機(jī)常用音頻放大器介紹

簡單介紹目前手機(jī)設(shè)計(jì)中音頻放大器有AB類放大器也有D類，主要的生產(chǎn)廠家有美國國家半導(dǎo)體公司(NS)、美國德州儀器(TI)、意法半導(dǎo)體公司(ST)、美國安森美公司(ONSEMI)。他們代表性的產(chǎn)品及其性能比較如表1和表2所示。其中NCP2890和NCP2809為美國安森美公司產(chǎn)品，LM4890和LM4911為美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品，TS4890為意法半導(dǎo)體公司產(chǎn)品，TPA6203A1為美國德州儀器的產(chǎn)品，MAX4410為美信公司產(chǎn)品(MAXIM)。

下面以O(shè)NSEMI公司產(chǎn)品為例介紹一下音頻功率放大器在手機(jī)中的應(yīng)用。

NCP2890在工作電壓5V時(shí)能夠給8歐姆負(fù)載持續(xù)提供1W的最大輸出功率，而在工作電壓2.6V時(shí)能夠給4歐姆負(fù)載提供320 mW 的輸出功率。如圖5所示NCP2890能夠提供高質(zhì)量的音質(zhì)，芯片自身帶的邏輯關(guān)斷設(shè)計(jì)模式，使電路設(shè)計(jì)中芯片的周圍器件少和自身功耗小。在NCP2890內(nèi)部專門設(shè)計(jì)了消噪聲電路，消除了功率放大器在開啟和關(guān)閉過程中會(huì)產(chǎn)生人耳可聽到的噪聲。開機(jī)時(shí)，邏輯高電平加到開關(guān)控制端，旁路電容上的直流電壓值開始按指數(shù)規(guī)律增加，當(dāng)電壓值達(dá)到共模電壓值(Ｖｐ／２)時(shí)，開始輸出功率(此過程大約50ms)；而關(guān)機(jī)時(shí)，控制端接低電平，負(fù)載被連接到接地端，輸出功率為零，此時(shí)電路的直流靜態(tài)電流小于100nA。盡管NCP2890內(nèi)部含有過流和過熱保護(hù)電路，但是在使用時(shí)，一定要注意供電電源電壓不能超過其極限值，以免造成芯片損壞。

NCP4894是ONSEMI公司專門為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的一款全微分音頻功率放大器。NCP4894 做為一款優(yōu)秀的音頻功率放大器能夠提供高質(zhì)量的聲音，尤其用在手機(jī)設(shè)計(jì)中優(yōu)點(diǎn)尤為突出。NCP4894的總諧波失真加噪聲(THD + N)比小于0.01% 。在工作電壓5V，負(fù)載8歐姆時(shí)它的輸出最大功率為1W，在工作電壓2.6V時(shí),輸出功率為250mW.

NCP2890和NCP4894以及NCP4896，都可用在手機(jī)設(shè)計(jì)中，他們的小封裝形式可以提高PCB的利用率。

四、手機(jī)設(shè)計(jì)中音頻放大器選用的幾點(diǎn)建議

采用了全差分輸入及輸出的音頻功率放大器，提高電源抑制比。

盡量采用效率高，功耗低，內(nèi)部升溫小的設(shè)計(jì)，這樣可以延長電池和芯片的使用壽命。在有限帶寬設(shè)計(jì)時(shí)，建議使用D類放大器。

音頻放大器在使用時(shí)一定要注意供電電源電壓不能超過其極限值，以免造成芯片損壞。

五、音頻放大器產(chǎn)品展望
　
現(xiàn)在消費(fèi)者追求著小巧的外型、低功耗、低價(jià)格以及聽力的舒適感。供應(yīng)商也逐漸認(rèn)識(shí)到，必須在這些方面有所改進(jìn)，才能使消費(fèi)者愿意花錢來購買這些音頻設(shè)備。同時(shí)，他們也努力減小噪聲的干擾。然而數(shù)字電路和模擬電路的同時(shí)存在，使得這項(xiàng)任務(wù)變得更加困難。

憑借諸如極佳的功率效率、較小的熱量以及較輕的供電電源等優(yōu)點(diǎn)，D類放大器正在音頻世界掀起風(fēng)暴，隨著技術(shù)的成熟以及其所達(dá)到越來越好的聲音重現(xiàn)效果， D類放大器將主導(dǎo)音頻放大器市場。


作者：杜玉廣