新一代的高性能低功耗音頻放大器

簡(jiǎn)介：

由于智能手機和平板電腦等移動(dòng)設備的激增，為了延長(cháng)電池壽命，必須降低功耗。迄今為止，重點(diǎn)主要放在處理器上，它是電路板上功耗最大的器件。目前市場(chǎng)對低功耗音頻產(chǎn)品有新的需求。但移動(dòng)設備基本上是一種多媒體消費類(lèi)設備。而在過(guò)去(約20世紀初)，手機的主要功能是電話(huà) – 使用音頻信號路徑的時(shí)間在設備使用時(shí)間中所占比例非常小。因此，由于音頻信號路徑對設備的整體功耗沒(méi)有很大的影響，所以其功耗并不重要。相比之下，目前平板電腦/智能手機是音頻/多媒體消費(音樂(lè )、電影、廣播、有聲讀物等)的主要設備，也是驅動(dòng)低功耗音頻解決方案的市場(chǎng)動(dòng)力。本文將簡(jiǎn)要回顧音頻放大器的歷史和當前先進(jìn)的音頻放大器，然后對新唐科技(Nuvoton)的新一代超低功耗音頻放大器所采用的新穎架構和電路技術(shù)進(jìn)行了描述。

發(fā)展現狀:

直到90年代后期，音頻放大器主要采用大家所熟知的EE101 A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)模擬放大器拓撲。特定應用下，通過(guò)在性能(THD等)、功耗與成本之間進(jìn)行權衡來(lái)決定工程拓撲的選擇。功耗在最低25%(A類(lèi))到通過(guò)犧牲性能(AB類(lèi))來(lái)實(shí)現的最高78.5%(理論值)的范圍內不等。由于終端設備主要是交流供電(接收器、便攜式立體聲錄放機、電視)，功耗本身并不是大問(wèn)題。

在90年代中期，多種市場(chǎng)力量融合起來(lái)，對音頻放大器的功耗提出了更高的要求。對于大功率終端，家庭影院越來(lái)越流行。若要以低功耗實(shí)現6個(gè)大功率路徑，則需要使用龐大的電源和大型散熱片，并且要考慮與之相關(guān)的成本和外形因素。與此同時(shí)，平板電視首次在市場(chǎng)亮相。這種電視的賣(mài)點(diǎn)是“輕薄”，甚至沒(méi)有空間安裝散熱片來(lái)為過(guò)多的功率進(jìn)行散熱。而且在這十年中，手機、iPod的問(wèn)世對電池壽命提出了更高的要求。所有這些市場(chǎng)的發(fā)展都要求音頻放大器具有更低的功耗，而不影響音頻性能。答案就是新一類(lèi)的放大器 - D類(lèi)放大器。D類(lèi)放大器號稱(chēng)具有100%的功效理論值和超過(guò)90%的實(shí)際功效。雖然D類(lèi)拓撲已經(jīng)問(wèn)世幾十年，其主流應用仍需考慮成本、性能和EMI的問(wèn)題，因此僅限于高端低音炮市場(chǎng)。

如下圖1說(shuō)明了10 W放大器的功耗與額定輸出功率的典型曲線(xiàn)。

圖1：AB類(lèi)和D類(lèi)的輸出功率與功效的曲線(xiàn)圖(10 W放大器)

不管是為了節省電量還是實(shí)現更小的外形尺寸，D類(lèi)所提供的功效都使其成為要求低功耗的市場(chǎng)的首選拓撲。第一代D類(lèi)技術(shù)得到了廣泛應用，使拓撲的一些缺點(diǎn)和用來(lái)克服這些缺點(diǎn)的新方法成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。

D類(lèi)放大器拓撲

最基本的D類(lèi)放大器拓撲采用脈寬調制(PWM)與三角波(或鋸齒波)振蕩器。圖2展示了半橋D類(lèi)放大器的簡(jiǎn)化框圖。它包括1個(gè)脈沖寬度調制器、2個(gè)輸出MOSFET和1個(gè)用于恢復被放大的音頻信號的外部低通濾波器。MOSFET交替地與輸出節點(diǎn)和地連接，可用作電流舵(current-steering)開(kāi)關(guān)。由于輸出晶體管將輸出切換到VDD或地，D類(lèi)放大器的最終輸出為高頻方波。大多數D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)頻率通常為250 kHz至1 MHz。將輸入音頻信號比作內部生成的三角波振蕩器，通過(guò)輸入音頻信號來(lái)調制輸出方波的脈寬。由此產(chǎn)生的方波占空比與輸入信號的電平成比例。無(wú)輸入信號時(shí)，輸出波形的占空比等于50%，與輸入信號成比例地增大或減小。

圖2：半橋模式下的D類(lèi)放大器

D類(lèi)放大器還會(huì )使用全橋輸出級。全橋電路使用2個(gè)半橋輸出級，并以差分方式驅動(dòng)負載。這種負載連接方式通常稱(chēng)為橋接負載(BTL)。正如圖3中所示，全橋結構是通過(guò)轉換負載的導通路徑來(lái)工作的。因此負載電流可以雙向流動(dòng)，無(wú)需負電源或隔直電容。

圖3：全橋/ BTL模式下的D類(lèi)放大器

傳統D類(lèi)放大器的缺點(diǎn)：

1 固定開(kāi)關(guān)損耗使靜態(tài)電流更高，使小功率輸出的功效更低。D類(lèi)放大器本質(zhì)上是開(kāi)關(guān)電路。在其 基本架構下，它們基于對音頻信號編碼的模式在ON和OFF之間切換。將開(kāi)關(guān)輸出通過(guò)低通濾波器傳輸至負載(揚聲器)，從而恢復被放大的音頻信號。參見(jiàn)上面的圖3。

從理論上講，由于輸出設備的狀態(tài)不是ON就是OFF，開(kāi)關(guān)不會(huì )使功率下降，所有功率均轉移至負載(功效為100%)。在實(shí)際應用當中，開(kāi)關(guān)是由MOSFET和一個(gè)有限電阻(漏源導通電阻)來(lái)實(shí)現的。漏源導通電阻越低，功效越高。一個(gè)具有橋接配置(半橋)的8 Ω電阻和0.4 Ω漏源導通電阻的典型揚聲器可提供約90%的功效。(參見(jiàn)圖2)。然而，低漏源導通電阻意味著(zhù)更大的移動(dòng)設備，反之則意味著(zhù)更高的輸入電容。每次開(kāi)關(guān)時(shí)都需要對電容進(jìn)行充電/放電，導致更高的開(kāi)關(guān)損耗(此損耗沒(méi)有模擬放大器拓撲中的損耗明顯)。更糟的是，從廣義上講，此損耗為“固定損耗”，與輸入信號無(wú)關(guān)。事實(shí)上，由于開(kāi)關(guān)放大器即使在沒(méi)有任何信號的情況下也會(huì )進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此固定損耗是電源的恒定損耗。實(shí)際上，雖然D類(lèi)放大器在全功率下的效率為90%，固定損耗會(huì )使小功率下的功效大大降低。這成為實(shí)際應用中的一個(gè)問(wèn)題，全功率下不僅僅是正弦波。不同流派的音樂(lè )具有6-10個(gè)波峰因數，大多數聽(tīng)到的音都是以小功率發(fā)出，因此降低了放大器的功效。

2 EMI濾波 - D類(lèi)放大器的一個(gè)眾所周知的缺點(diǎn)是作為開(kāi)關(guān)放大器，它們具有電磁干擾，對AM頻段和手機接收產(chǎn)生干擾。目前通過(guò)使用濾波器，以及大功率應用中用金屬外殼將輸出開(kāi)關(guān)設備和輸出濾波器封裝起來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

3 BOM成本 - 傳統的D類(lèi)架構需要低通濾波器來(lái)恢復被放大的音頻信號。這會(huì )增加放大器系統實(shí)現的BOM成本。許多制造商已經(jīng)取得了最新的進(jìn)展，可提供無(wú)濾波器的D類(lèi)放大器，但一般都是以降低性能或增加EMI為代價(jià)。