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(wú)論走到哪里都能引來(lái)無(wú)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(jiǎn)單的分析。

一、音頻放大器分類

傳統(tǒng)的數(shù)字語(yǔ)音回放系統(tǒng)包含兩個(gè)主要過(guò)程：1、數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)到模擬語(yǔ)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(kāi)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(yǔ)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(jiǎn)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(méi)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(wú)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。可以避免交越失真。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(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開(kāi)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(kāi)關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開(kāi)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(kāi)關(guān)電路來(lái)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(wú)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(méi)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(lái)的EMI問(wèn)題。目前市場(chǎng)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(guò)程中會(huì)因其開(kāi)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(cè)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(lái)說(shuō)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(shuō)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(shuō)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(zhǎng)。

三、手機(jī)常用音頻放大器介紹

簡(jiǎn)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)、美國(guó)德州儀器(TI)、意法半導(dǎo)體公司(ST)、美國(guó)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(guó)安森美公司產(chǎn)品，LM4890和LM4911為美國(guó)國(guó)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(guó)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(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生人耳可聽(tīng)到的噪聲。開(kāi)機(jī)時(shí)，邏輯高電平加到開(kāi)關(guān)控制端，旁路電容上的直流電壓值開(kāi)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(kāi)始輸出功率(此過(guò)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(guò)流和過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(tīng)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(lái)購(gòu)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(lái)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(chǎng)。


作者：杜玉廣