音頻 放大器簡介及分類

功率放大器(簡稱功放)的作用是給音響放大器的負(fù)載RL(揚(yáng)聲器)提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高。音頻放大器已經(jīng)有快要一個世紀(jì)的歷史了，最早的電子管放大器的第一個應(yīng)用就是音頻放大器。然而直到現(xiàn)在為止，它還在不斷地更新、發(fā)展、前進(jìn)。主要因?yàn)槿祟惖穆犛X是各種感覺中的相當(dāng)重要的一種，也是最基本的一種。為了滿足它的需要，有關(guān)的音頻放大器就要不斷地加以改進(jìn)。應(yīng)用領(lǐng)域TV，音箱，筆記本電腦和PDA,便攜式電子等等

1音頻放大器簡介功放分類

這里主要以靜態(tài)工作點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)對功放進(jìn)行分類A類放大器特點(diǎn)：放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近,晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。優(yōu)點(diǎn)：工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，瞬態(tài)失真和交替失真較小缺點(diǎn)：效率低，功率的理論最大值僅有25％B類放大器特點(diǎn)：放大器的靜態(tài)點(diǎn)在(VCC、0)處，即截至點(diǎn)處，當(dāng)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(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，Q2導(dǎo)通Q1截止，輸出端負(fù)半周正弦波，所以必須用兩管推挽工作。優(yōu)點(diǎn)：效率較高(78%)，缺點(diǎn)：因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，交越失真較大AB類放大器特點(diǎn)：晶體管的導(dǎo)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。效率較高，晶體管功耗較小。2D類(數(shù)字音頻功率)放大器特點(diǎn)：將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)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(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。放大器由輸入信號處理電路、開關(guān)信號形成電路、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.優(yōu)點(diǎn)：1：效率高，通常能夠達(dá)到85%以上2：發(fā)熱少，功耗低，電池使用壽命長3：體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間4：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)試缺點(diǎn)：存在EMI電磁干擾3功放分類AB類、D類放大器比較4效率，功率峰值因數(shù)以2瓦峰值功率為例AB類:12％的輸入功率變成有效音頻功率輸出，近88％變成熱量耗散了。D類放大器:75％輸入功率都變成了有效的音頻輸出功率，只有25％的輸入功率變成熱量耗散了。故具有較大功率輸出D類也不需要采用散熱器AB類、D類放大器比較

應(yīng)用場合

音樂手機(jī)此類中高檔多媒體手機(jī)，除了通話和鈴聲之外，更多是MP3音樂、影音片段和數(shù)字電視等，非線性的D類音頻放大器所具有的效率高、發(fā)熱少、功耗低、電池使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)使之成為此類應(yīng)用中最合適的方案。EMI干擾、芯片價格

D類存在EMI電磁干擾，可能會對手機(jī)RF部分或者天線部分產(chǎn)生干擾，降低手機(jī)的靈敏度，導(dǎo)致手機(jī)無法正常工作，且與AB類相比，沒有明顯的價格優(yōu)勢，AB類音頻放大器成為主流的中低檔手機(jī)的首。噪聲、音頻性能

AB類較D類產(chǎn)品，突出的是音頻性能、THD+N(總諧波失真加噪聲)等方面。音頻耳機(jī)功放對效率和功率的要求不高，或者Hi-Fi（高保真）耳機(jī)放大器對失真率有較高的要求，如今在耳機(jī)放大器的設(shè)計(jì)中AB類仍是唯一的選擇。

5AB類、D類放大器比較AB類、D類的共存與折中在未來手機(jī)設(shè)計(jì)中，AB類不可能被D類完全取代，兩者將共存。折中方案：自由切換AB類和D類這兩種工作模式。在沒有射頻發(fā)射/傳輸?shù)臅r候，運(yùn)行D類模式；在射頻發(fā)射/傳輸?shù)臅r候，運(yùn)行AB類模式，充分利用D類和AB類的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自缺點(diǎn)。6功放相關(guān)參數(shù)THD+NPSRRPOPingD類功放相關(guān)的EMI額定功率音調(diào)控制特性頻率響應(yīng)輸入靈敏度噪聲電壓整機(jī)效率7功放相關(guān)參數(shù)介紹THD(總諧波失真)諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的。功放工作時，由于電路不可避免的振蕩或其他諧振產(chǎn)生的二次，三次諧波與實(shí)際輸入信號疊加，在輸出端輸出的信號就不單純是與輸入信號完全相同的成分，而是包括了諧波成分的信號?？傊C波失真與頻率有關(guān)，必須在20Hz-20KHz的全音頻范圍內(nèi)測出。諧波失真用總諧波失真百分比（THD）來度量。這個度量包括整個頻帶中各次諧波的功率之和，可以用下述方程定義：8V1為基波分量的幅值Vn為感興趣的諧波分量的幅值?？傊C波失真的數(shù)值越小，音色就更加純凈。這個指標(biāo)是在一定的工作電壓、一定的負(fù)載電阻RL、一定的輸入頻率FIN（一般常用1KHZ）、一定的輸出功率Po下進(jìn)行測試。若改變了其中的條件，其THD+N值是不同的。功放相關(guān)參數(shù)介紹電源抑制比（PSRR,PowerSupplyRejectionRatio）把電源的輸入與輸出看作獨(dú)立的信號源，輸入與輸出的紋波比值即是PSRR，通常用對數(shù)形式表示，單位是dB.定義如下：

9在我們的芯片測試中，實(shí)際上測得的是Ksvr，測試方法是利用AP產(chǎn)生200mVpp的紋波信號，通過330uF電容耦合到AW208C電源端，DC電源通過20ohm電阻到電源端。測試時，利用AP的通道A測試芯片輸出的AC值，利用B通道測試到達(dá)功放電源端的紋波大小，最后通過AP的AB通道之間的crosstalk函數(shù)計(jì)算得到PSRR功放相關(guān)參數(shù)介紹POPingBTL、SE、OCL結(jié)構(gòu)POPing抑制能力

橋式模式能有效抑制共模噪聲。輸出功率相同時，橋式模式的噪聲明顯小于單端模式的噪聲。這是因?yàn)橄嗤臎_擊會同時出現(xiàn)在橋式輸出結(jié)構(gòu)的“＋”、“－”兩端，并通過負(fù)載后相互抵消，不對揚(yáng)聲器做功，因而不會發(fā)出“POP”聲。這種結(jié)構(gòu)對于上電、掉電噪聲以及操作噪聲都有很好的抑制作用。無輸出耦合電容(OCL)結(jié)構(gòu)與橋式結(jié)構(gòu)非常類似，在輸出端將直流共模電壓抵消掉，只有交流信號對負(fù)載作功。與橋式結(jié)構(gòu)一樣，OCL結(jié)構(gòu)由于省去了耦合電容。10功放相關(guān)參數(shù)介紹POPing

一般解決的原則就是讓音頻電路最后開啟

增大VBIAS的濾波電容音頻集成電路通常都有一個管腳叫做Vbias，或者Vref、Vmid、Vsvr、bypass等，它是內(nèi)部直流基準(zhǔn)電壓，若要內(nèi)部電路能工作，這個偏置電壓必須建立起來。實(shí)際應(yīng)用時，該管腳通常外接一個旁路電解電容到地，該電容起濾除噪聲的作用。對于使用正電壓的單電源系統(tǒng)來說，當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定時，基準(zhǔn)電壓值約等于Vdd/2。增大這個電容的容值能抑制“POP”噪聲。當(dāng)芯片上電或從待機(jī)狀態(tài)切換到工作狀態(tài)時，直流偏置電壓開始建立，從0逐漸升高，并對Vbias濾波電容充電。經(jīng)過一定時間后，電壓上升到Vdd/2，此時芯片就可以工作了，輸出的音頻信號基于這個直流電壓上下擺動。同樣，當(dāng)芯片掉電或進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時，濾波電容放電，偏置電壓開始下降，從Vdd/2下降到0。

集成了一個固定的延時電路單元

啟動時間=充電時間+延遲時間11功放相關(guān)參數(shù)介紹POPing應(yīng)用中合理控制時序12注：開啟時，由于我們功放有32ms的啟動延時，因此功放與音源同時開啟也是可以接受的；關(guān)斷時，為完全避免pop音，功放最好是提前于音源就進(jìn)行關(guān)斷操作；功放相關(guān)參數(shù)介紹D類功放相關(guān)的EMI

EMC：電磁兼容性國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC對電磁兼容的定義是：系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時不對其他系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾。EMC包括兩個方面的要求：（1）設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；（2）器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性

EMC包括EMI(interference)和EMS(susceptibility),即電磁干擾和電磁抗干擾EMI，電磁干擾度：描述一產(chǎn)品對其他產(chǎn)品的電磁輻射干擾程度，是否會影響其周圍環(huán)境或同一電氣環(huán)境內(nèi)的其它電子或電氣產(chǎn)品的正常工作EMS，電磁抗干擾度：描述一電子或電氣產(chǎn)品是否會受其周圍環(huán)境或同一電氣環(huán)境內(nèi)其它電子或電氣產(chǎn)品的干擾而影響其自身的正常工作13功放相關(guān)參數(shù)介紹D類功放相關(guān)的EMIEMI又包括傳導(dǎo)干擾CE（conductionemission）和輻射干擾RE(radiationemission)以及諧波harmonic。EMS又包括靜電抗干擾ESD，射頻抗擾度EFT，電快速瞬變脈沖群抗擾度，浪涌抗擾度，電壓暫降抗擾度.

EMI來源：覆蓋頻段1MHz～1GHz250KHz～1.5MHz高頻開關(guān)信號

納秒級邊沿切換，過沖振蕩14功放相關(guān)參數(shù)介紹D類功放相關(guān)的EMI

D類功放由于調(diào)制器采用固定頻率載波，產(chǎn)生基載波的多次載波輻射，且PWM信號自身的開關(guān)特性，過沖/下沖和振鈴產(chǎn)生固定頻率的高頻輻射EMI。EMI抑制措施：1：擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)，在更大的帶寬內(nèi)擴(kuò)展開關(guān)PWM信號的頻譜能量。而不改變原始音頻內(nèi)容。2：改變PWM開關(guān)信號的邊沿速率。信號以載波頻率為中心，任何一個邊緣都不是按周期重復(fù)，不僅維持了固定載波頻率，邊沿也不是以固定比率跳變，載波頻率上的能量輻射得到極大降低。3：使用LC濾波器或磁珠濾波器以過濾高頻諧波。中高功率由于EMI太強(qiáng)用LC濾波器，而小功率用磁珠處理即可。4：PCBlayout及器件擺放位置。D類到揚(yáng)聲器線路不能太長，否則類似于一天線。15音響放大器主要技術(shù)指標(biāo)及測試方法額定功率

音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值(如<5%)時的最大功率稱為額定功率。其表達(dá)式為:PO=VO^2/RL式中，RL為額定負(fù)載阻抗；Vo(有效值)為RL兩端的最大不失真電壓。Vo常用來選定電源電壓VCC.

測量Po的條件如下：信號發(fā)生器的輸出信號(音響放大器的輸入信號)的頻率fi=1kHz，電壓Vi=5mV，音調(diào)控制器的兩個電位器RP1、RP2置于中間位置，音量控制電位器置于最大值，用雙蹤示波器觀測vi及vo的波形，失真度測量儀監(jiān)測vo的波形失真.注意在最大輸出電壓測量完成后應(yīng)迅速減小Vi，否則會因測量時間太久而損壞功率放大器。

測量Po的步驟是：功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻RL(代替揚(yáng)聲器)，逐漸增大輸入電壓Vi，直到vo的波形剛好不出現(xiàn)削波失真(或<3%)，此時對應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓，由式(3-7-22)即可算出額定功率Po。

16音響放大器主要技術(shù)指標(biāo)及測試方法音調(diào)控制特性

輸入信號vi(=100mV)從音調(diào)控制級輸入端的耦合電容加入，輸出信號v0從輸出端的耦合電容引出。先測1kHz處的電壓增益Av0(Av0=0dB)，再分別測低頻特性和高頻特性。同樣，測高頻特性是將RP2的滑臂分別置于最左端和最右端，頻率從1kHz至50kHz變化，記下對應(yīng)的電壓增益。最后繪制音調(diào)控制特性曲線，并標(biāo)注與fL1、fx、fL2、f0(1kHz)、fH1、fHx、fH2等頻率對應(yīng)的電壓增益。

172023/2/6音響放大器主要技術(shù)指標(biāo)及測試方法頻率響應(yīng)

放大器的電壓增益相對于中音頻fo(1kHz)的電壓增益下降3dB時對應(yīng)低音頻截止頻率fL和高音頻截止頻率fH，稱fL~fH為放大器的頻率響應(yīng)。測量條件同上，調(diào)節(jié)RP3使輸出電壓約為最大輸出電壓的50%。測量步驟是：