音頻放大器的增益計算

1、52RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益音頻放大器的增益計算摘要這篇應(yīng)用文章介紹了不同類型音頻功放的結(jié)構(gòu)如單端橋接和全差分音頻放大器每種音頻功放都配以圖表加以解釋并且有一些增益計算公式還附帶了實(shí)際案例目的是指導(dǎo)工程師如何計算音頻功放的增益.內(nèi)容.21介紹介紹.1.1喇叭的功率.21.2喇叭的阻抗.21.3音頻功放增益設(shè)置.2.32單端音頻功放單端音頻功放.2.1方案圖.32.2公式.32.3單端功放的例子.4.63橋接式功放Amplifier.63.1方案圖.63.2公式.652RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益3.3橋接功放例子.7.94全差分功放全差分功放.94.

2、1方案圖.94.2公式.94.3全差分功放的例子.10.135結(jié)論結(jié)論.1352RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益1Introduction當(dāng)工程師在設(shè)計音頻功放的時候大多數(shù)有一個共性的問題音頻功放的增益要如何應(yīng)用換句話說音頻功放電路的阻值要如何選擇那？本文分三部分說明不同音頻類型的功放增益的計算單端橋接全差分音頻放大器1.1喇叭的功率在討論不同音頻功放方案之前一些基本的參數(shù)是不得不提的如輸出電壓喇叭的阻抗喇叭的輸出功率1.2喇叭的阻抗在功放設(shè)計的例子中大多數(shù)喇叭的阻抗是3歐姆到32歐姆之間這些阻抗就決定了是否能夠驅(qū)動一個筆記本平板電視手機(jī)喇叭耳機(jī)輸出電壓(VO)經(jīng)常被規(guī)定為RM

3、S值,所以本文應(yīng)用了如下公式輸出功率52RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益這個公式很重要它表明了峰峰值和有效值的關(guān)系因?yàn)檫@涉及到音頻功放增益的計算1.3音頻功放的增益設(shè)置及從音頻編碼器和和DAC輸出的用來驅(qū)動音頻功放的信號應(yīng)該盡可能的大目的是有一個比較高的SNR信噪比相反的音頻功放的增益要盡可能的低如果音頻功放增益設(shè)置的太高它會把噪音信號和實(shí)際想要的信號一同放大這就減小信號的動態(tài)范圍縮減了音頻信號的質(zhì)量2單端音頻功放2.1方案圖單端功放是最簡潔的形式參考圖如下52RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益2.2公式圖一這種類型的功放有一個反相放大器提供增益輸入電阻RI反饋電

4、阻RF提供電壓增益他們的關(guān)系如下(輸出信號相位在輸入信號的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)180度)假設(shè)電壓增益是10V/Vor20dB,RF=10RI.這些電阻的典型值應(yīng)該是RI=10kandRF=100k.以下的例子是單端功放的增益計算方法2.3單端功放的例子52RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益一個工程師的設(shè)計需求：有效輸出功率是100mW的功放用來驅(qū)動16歐姆的喇叭這個音頻功放需求電壓最大5V被音頻編碼器驅(qū)動的最大(peak-to-peak)輸出電壓是3V必須確保功放把功率加到負(fù)載和必須選擇什么樣合適的電阻值？解答:這意味著RMS輸出電壓VO(RMS),從音頻功放輸出時1.26V.因?yàn)橐纛l編碼

5、器輸出峰峰值電壓是3V轉(zhuǎn)化為有效值電壓所以從音頻編碼器輸出的RMS電壓是1.06V從放大器輸出的RMS電壓為1.26V.放大器的增益為1.26V/1.06V用公式RF=1.18R1這就意味著RI=10kandRF=11.8k.這個計算結(jié)果請看下圖的圖示所以52RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益注意：,CI是輸入耦合電容和R1是輸入電阻,高通濾波器的截止頻率fCC1和R1的選擇一定要慎重以免高通濾波器濾掉我們想要的聲音頻率例如設(shè)置輸入電容為0.1F導(dǎo)致截止頻率是169Hz.同時這也應(yīng)用于輸入考慮到喇叭的阻抗也產(chǎn)生了一個高通濾波器同樣也要選擇合適的電容值在這個例子中輸出電容設(shè)置68F

6、,結(jié)果截止頻率是146Hz,3橋接功率放大器52RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益3.1方案圖橋接式BTL放大器和單端SE放大器略有不同它包括一個反相器目的是產(chǎn)生雙倍的電壓這種類型的放大器用單電源供電從單電源到負(fù)載產(chǎn)生很大的功率下圖顯示了這種放大器Figure3顯示這種功放同樣有一個反相放大器但是與SE不同的是它有一個轉(zhuǎn)換器所以提供了雙倍的電壓在負(fù)載同SE比較產(chǎn)生了四倍的功率3.2公式BTL電路輸入電阻RI反饋電阻RF仍然提供放大器的電壓增壓但是這種BTL放大器發(fā)生了關(guān)系上的改變180度)(輸出信號相位在輸入信號的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)52RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益例子

7、3.3BTLBTL例子一個工程師的設(shè)計需求：有效輸出功率是100mW的功放用來驅(qū)動16歐姆的喇叭這個音頻功放需求電壓最大5V被音頻編碼器驅(qū)動的最大(peak-to-peak)輸出電壓是3V必須確保功放把功率加到負(fù)載和必須選擇什么樣合適的電阻值？從輸出功率需求開始我們首先要做的事計算通過負(fù)載的輸出電壓確保2W的功率驅(qū)動喇叭用如下的公式求出輸出電壓的有效值RMS這就意味著功放的輸出電壓必須是2.83V因?yàn)橐纛l編碼器的輸出峰峰值電壓是3V轉(zhuǎn)化為有效值電壓同時,所以從音頻編碼器的輸出電壓的RMS為1.06V和從放大器輸出的電壓的RMS值是2.83V所以這個增益是2.67V/V或者8.5dB用公式Rf=

8、1.33R1這就意味著R1=10KRf=13.3K52RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益如下圖ThismeansthatRIisapproximately10kandRFisapproximately13.3k.注意C1和R1的選擇一定要慎重以免高通濾波器濾掉我們想要的聲音頻率例如設(shè)置輸入電容為0.1F導(dǎo)致截止頻率是169Hz.注意圖四中輸出端在SE中的隔直電容已經(jīng)不在因?yàn)殡p端同樣的直流偏置互相抵消所以電容不需要電容只是加在輸入端4全差分功率放大器4.1方案圖全差分和典型的BTL不同并沒有倍壓反向跟隨器然而由于差分放大器的原因輸出功率和BTL一樣并且優(yōu)點(diǎn)是可以減小噪音典型的音頻功

9、放一樣與BTL相似也是用來放大負(fù)載上的功率可以在噪音環(huán)境中工作的很好用在手機(jī)和智能52RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益機(jī)中如下圖4.2公式RI和反饋電阻RF仍然為放大器提供電壓增益但是在全差分放大器中這輸入電阻輸入電阻RIRI和反饋電阻和反饋電阻RFRF仍然為放大器提供電壓增益種關(guān)系已經(jīng)改變?yōu)榧僭O(shè)電壓增益為10V/Vor20dB,RF必須是RI.的十倍4.3全差分放大器例子問題:一個工程師需要一個最大RMS功率來自TP6203A1驅(qū)動一個8歐姆的喇叭同時保持THD+N小于10%.音頻功放電源來自電池電壓VBAT范圍3.0V到4.2V52RD-wanghahaxiao-音頻放大器

10、的增益音頻編碼器輸入到放大器的最大峰峰值電壓是1.8V如何確保用在TPA6203A1的最大功率被應(yīng)用到負(fù)載上并且保持THD+N小于10%？解答：首先計算音頻功放在THD+N小于10%小知識有時會看到“THD+N”，THD+N是英文TotalHormonicDistortion+Noise的縮寫，譯成中文是“總諧波失真加噪聲”。它是音頻功率放大器的一個主要性能指標(biāo)，也是音頻功率放大器的額定輸出功率的一個條件。理想的音頻功率放大器，若不考慮該功率放大器的增益大小，輸入一定頻率的正弦波信號，其輸出也應(yīng)該是沒有失真（波形沒有變形）、沒有噪聲的正弦波信號。但真實(shí)的音頻功率放大器的輸出音頻信號總會有一點(diǎn)失

11、真，并且疊加了噪聲（在正弦波上疊加了高頻雜波）。這種失真是較小的，從波形圖中也難看出來，52RD-wanghahaxiao-音頻放大器的增益只有用失真儀才能測出。波形的失真是由于在正弦波上加了多種高次諧波造成的（如3次諧波、5次諧波等）所以稱為總諧波失真。理想的音頻功率放大器沒有諧波失真及噪聲，所以THD+N=0%。實(shí)際的音頻功率放大器有各種諧波造成的失真及由器件內(nèi)或外部造成的噪聲，它有一定的THD+N的值。這個值一般在0.00n%-10%之間(n=19)。輸出功率這就意味著從音頻功放輸出的RMS電壓必須是2.10V因?yàn)榫幋a器峰峰值電壓要求1.8V轉(zhuǎn)化成RMS所以從編碼器輸出的RMS電壓為0.64V和從音頻功放輸出的R