音頻功率放大器分類及在手機設計中的應用
責任編輯:chineselng    瀏覽:4722次    時間: 2008-04-06 15:31:11      

摘要: 一部精美的手機,配上悅耳的鈴聲,無論走到哪里都能引來無數羨慕的目光。手機聲音音質的好壞對手機設計成功與否有著重大的影響,而功率放大器對音色的還原質量,有著舉足輕重的作用。下面就音頻放大器(Audio power amplifier)在手機中的應用做一下簡單的分析。   ..

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 一部精美的手機,配上悅耳的鈴聲,無論走到哪里都能引來無數羨慕的目光。手機聲音音質的好壞對手機設計成功與否有著重大的影響,而功率放大器對音色的還原質量,有著舉足輕重的作用。下面就音頻放大器(Audio power amplifier)在手機中的應用做一下簡單的分析。

  一、音頻放大器分類

  傳統的數字語音回放系統包含兩個主要過程:1、數字語音數據到模擬語音信號的變換(利用高精度數模轉換器DAC)實現;2利用模擬功率放大器進行模擬信號放大,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不同類型的數字放大器,這種放大器直接從數字語音數據實現功率放大而不需要進行模擬轉換,這樣的放大器通常稱作數字功率放大器或者D類放大器。

  1、A類放大器

  A類放大器的主要特點是:放大器的工作點Q設定在負載線的中點附近,晶體管在輸入信號的整個周期內均導通。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,所以瞬態失真和交替失真較小。電路簡單,調試方便。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 現在設計基本上不在再使用。

A類放大器

  2、B類放大器

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

B類放大器

  3、AB類放大器

  AB類放大器的主要特點是:晶體管的導通時間稍大于半周期,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。當信號在-0.6V

AB類放大器

  4、D類放大器

  D類(數字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數字信息變換成PWM(脈沖亮度調制)或PDM(脈沖密度調制)的脈沖信號,然后用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關器件通/斷音頻功率放大器,也稱為開關放大器。具有效率高的突出優點.數字音頻功率放大器也看上去成是一個一比特的功率數模變換器.放大器由輸入信號處理電路、開關信號形成電路、大功率開關電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成.D類放大或數字式放大器。系利用極高頻率的轉換開關電路來放大音頻信號的。

  1.具有很高的效率,通常能夠達到85%以上。

  2.體積小,可以比模擬的放大電路節省很大的空間。

  3.無裂噪聲接通

  4.低失真,頻率響應曲線好。外圍元器件少,便于設計調試。

  如圖4所示,PDM信號與PWM信號相比,沒有固定的工作頻率,其將輸入的音頻信號調制成一組脈沖寬度相同但是頻率不同的PDM信號,有效的改善了PWM帶來的EMI問題。目前市場上產品還不是很多。

PDM信號與PWM信號

  PWM(Pulse Width Modulation)/ 中A類、B類和AB類放大器是模擬放大器,D類放大器是數字放大器。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通與截止狀態的轉換過程中會因其開關特性不佳或因電路參數選擇不當而產生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真,頻率響應曲線好。外圍元器件少優點。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

  1.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模擬電路的輸出信號的比值。PSRR反映了音頻功率放大器對電源的紋波要求,PSRR值越大越好,音頻放大器輸出音質就越好。性能比較">

  2.總諧波失真加噪聲(THD+N) 總諧波失真(total harmonic distortion)是指一個模擬電路處理信號后,在一個特定頻率范圍內所引入的總失真量。噪聲(noise)是指通常不需要的信號。有時是由于由于熱或者其它物理條件產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。

  3.信噪比(SNR) 通常指一個模擬信號中有用信號和噪聲之間的比值。

  4.增益(AO) 對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。

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

  6.關斷電流(Shutdown current)和輸出偏移電壓(Output Offset Voltage)。

  關斷電流越小,說明在待機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。

音頻放大器重要參數
音頻放大器重要參數

  三、手機常用音頻放大器介紹

  簡單介紹目前手機設計中音頻放大器有AB類放大器也有D類,主要的生產廠家有美國國家半導體公司(NS)、美國德州儀器(TI)、意法半導體公司(ST)、美國安森美公司(ONSEMI)。他們代表性的產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品,LM4890和LM4911為美國國家半導體公司產品,TS4890為意法半導體公司產品,TPA6203A1為美國德州儀器的產品,MAX4410為美信公司產品(MAXIM)。

手機常用音頻放大器
手機常用音頻放大器

  下面以ONSEMI公司產品為例介紹一下音頻功率放大器在手機中的應用,電路圖如圖5、6所示。

  NCP2890在工作電壓5V時能夠給8歐姆負載持續提供1W的最大輸出功率,而在工作電壓2.6V時能夠給4歐姆負載提供320 mW 的輸出功率。如圖5所示NCP2890能夠提供高質量的音質,芯片自身帶的邏輯關斷設計模式,使電路設計中芯片的周圍器件少和自身功耗小。在NCP2890內部專門設計了消噪聲電路,消除了功率放大器在開啟和關閉過程中會產生人耳可聽到的噪聲。開機時,邏輯高電平加到開關控制端,旁路電容上的直流電壓值開始按指數規律增加,當電壓值達到共模電壓值(Vp/2)時,開始輸出功率(此過程大約50ms);而關機時,控制端接低電平,負載被連接到接地端,輸出功率為零,此時電路的直流靜態電流小于100nA。盡管NCP2890內部含有過流和過熱保護電路,但是在使用時,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公司專門為移動設備設計的一款全微分音頻功率放大器。NCP4894 做為一款優秀的音頻功率放大器能夠提供高質量的聲音,尤其用在手機設計中優點尤為突出。NCP4894的總諧波失真加噪聲(THD + N)比小于0.01% 。在工作電壓5V,負載8歐姆時它的輸出最大功率為1W,在工作電壓2.6V時,輸出功率為250mW.

  NCP2890和NCP4894以及NCP4896,都可用在手機設計中,他們的小封裝形式可以提高PCB的利用率。

  四、手機設計中音頻放大器選用的幾點建議

  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,內部升溫小的設計,這樣可以延長電池和芯片的使用壽命。在有限帶寬設計時,建議使用D類放大器。 音頻放大器在使用時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、音頻放大器產品展望

  現在消費者追求著小巧的外型、低功耗、低價格以及聽力的舒適感。供應商也逐漸認識到,必須在這些方面有所改進,才能使消費者愿意花錢來購買這些音頻設備。同時,他們也努力減小噪聲的干擾。然而數字電路和模擬電路的同時存在,使得這項任務變得更加困難。

  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點,D類放大器正在音頻世界掀起風暴,隨著技術的成熟以及其所達到越來越好的聲音重現效果, D類放大器將主導音頻放大器市場。

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