手機設計中音頻功率放大器介紹
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前言：一部精美的手機,配上悅耳的鈴聲，無(wú)論走到哪里都能引來(lái)無(wú)數羨慕的目光。手機聲音音質(zhì)的好壞對手機設計成功與否有著(zhù)重大的影響,而功率放大器對音色的還原質(zhì)量,有著(zhù)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(jiǎn)單的分析。
一、音頻放大器分類(lèi)
傳統的數字語(yǔ)音回放系統包含兩個(gè)主要過(guò)程：1、數字語(yǔ)音數據到模擬語(yǔ)音信號的變換(利用高精度數模轉換器DAC)實(shí)現；2利用模擬功率放大器進(jìn)行模擬信號放大，如A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)放大器。從1980年代早期，許多研究者致力于開(kāi)發(fā)不同類(lèi)型的數字放大器，這種放大器直接從數字語(yǔ)音數據實(shí)現功率放大而不需要進(jìn)行模擬轉換，這樣的放大器通常稱(chēng)作數字功率放大器或者D類(lèi)放大器。
1、A類(lèi)放大器
A類(lèi)放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn)Q設定在負載線(xiàn)的中點(diǎn)附近,晶體管在輸入信號的整個(gè)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(xiàn)的線(xiàn)性范圍內，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡(jiǎn)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(xiàn)性失真。 由于效率比較低 現在設計基本上不在再使用。
2、B類(lèi)放大器
B類(lèi)放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的靜態(tài)點(diǎn)在(VCC，0)處，當沒(méi)有信號輸入時(shí)，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(xiàn)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(xiàn)性區域內，故其缺點(diǎn)是"交越失真"較大。即當信號在-0.6V~ 0.6V之間時(shí)， Q1 Q2都無(wú)法導通而引起的。所以這類(lèi)放大器也逐漸被設計師摒棄。
3、AB類(lèi)放大器
AB類(lèi)放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管的導通時(shí)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(diǎn)。當信號在-0.6V 4、D類(lèi)放大器 D類(lèi)(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(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn).數字音頻功率放大器也看上去成是一個(gè)一比特的功率數模變換器.放大器由輸入信號處理電路、開(kāi)關(guān)信號形成電路、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(lèi)放大或數字式放大器。系利用極高頻率的轉換開(kāi)關(guān)電路來(lái)放大音頻信號的。 PWM(Pulse Width Modulation)/ 中A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)放大器是模擬放大器，D類(lèi)放大器是數字放大器。B類(lèi)和AB類(lèi)推挽放大器比A類(lèi)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(lèi)放大器在晶體管導通與截止狀態(tài)的轉換過(guò)程中會(huì )因其開(kāi)關(guān)特性不佳或因電路參數選擇不當而產(chǎn)生交替失真。而D類(lèi)放大器具有效率高低失真，頻率響應曲線(xiàn)好。外圍元器件少優(yōu)點(diǎn)。AB類(lèi)放大器和D類(lèi)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 三、手機常用音頻放大器介紹 簡(jiǎn)單介紹目前手機設計中音頻放大器有AB類(lèi)放大器也有D類(lèi)，主要的生產(chǎn)廠(chǎng)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(chǎn)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(chǎn)品，LM4890和LM4911為美國國家半導體公司產(chǎn)品，TS4890為意法半導體公司產(chǎn)品，TPA6203A1為美國德州儀器的產(chǎn)品，MAX4410為美信公司產(chǎn)品(MAXIM)。 下面以ONSEMI公司產(chǎn)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(shí)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(shí)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(zhì)量的音質(zhì)，芯片自身帶的邏輯關(guān)斷設計模式，使電路設計中芯片的周?chē)骷俸妥陨砉男?。在NCP2890內部專(zhuān)門(mén)設計了消噪聲電路，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)始按指數規律增加，當電壓值達到共模電壓值(Ｖｐ／２)時(shí)，開(kāi)始輸出功率(此過(guò)程大約50ms)；而關(guān)機時(shí)，控制端接低電平，負載被連接到接地端，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內部含有過(guò)流和過(guò)熱保護電路，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(zhuān)門(mén)為移動(dòng)設備設計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，尤其用在手機設計中優(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(diǎn)建議 現在消費者追求著(zhù)小巧的外型、低功耗、低價(jià)格以及聽(tīng)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(jìn)，才能使消費者愿意花錢(qián)來(lái)購買(mǎi)這些音頻設備。同時(shí)，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(shí)存在，使得這項任務(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(lèi)放大器正在音頻世界掀起風(fēng)暴，隨著(zhù)技術(shù)的成熟以及其所達到越來(lái)越好的聲音重現效果， D類(lèi)放大器將主導音頻放大器市場(chǎng)。 
如圖4所示，PDM信號與PWM信號相比，沒(méi)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(lái)的EMI問(wèn)題。目前市場(chǎng)上產(chǎn)品還不是很多。 
關(guān)斷電流越小，說(shuō)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(cháng)。 
五、音頻放大器產(chǎn)品展望
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