APA提升平板顯示器的音頻性能

　　音頻功率放大器 (APA) 技術(shù)的最新發(fā)展進(jìn)一步提高了平板顯示器的音質(zhì)，使之具有了與其優(yōu)質(zhì)圖像質(zhì)量相稱(chēng)的音響效果。

　　由于線(xiàn)性放大器的效率低下，平板顯示器業(yè)轉而采用D類(lèi)APA作為音頻解決方案。D類(lèi)APA的操作熱量更低，消耗的功率也少得多。采用D類(lèi)APA的設計人員能夠進(jìn)一步提高其應用的音頻功率性能，同時(shí)又不會(huì )增加熱量與功耗，從而可以保持體積較小的變壓器與穩壓器，并消除了采用散熱片的必要。事實(shí)上，D類(lèi)APA甚至可以在增強功率性能的同時(shí)還能降低熱量與功耗。

　　為了最大化D類(lèi)APA的性能，我們只需遵循有關(guān)文檔詳細要求的布局及測試程序即可。

　　2 線(xiàn)性APA的問(wèn)題

　　線(xiàn)性APA由于電源通過(guò)線(xiàn)性放大器的輸出級晶體管產(chǎn)生的壓降而導致其自身效率低下。事實(shí)上，大多數情況下，其消耗的功率比所提供給喇叭的功率還要高。線(xiàn)性放大器之所以效率不高，原因在于電源通過(guò)線(xiàn)性放大器的輸出級晶體管產(chǎn)生的壓降。當線(xiàn)性放大器的輸出電壓信號與電源電壓不相等時(shí)，放大器會(huì )出現內部功率損失。當放大器的輸出電壓信號與電源電壓相等時(shí)，放大器又會(huì )產(chǎn)生失真，因為電壓信號被電源軌"剪切"了，請參見(jiàn)圖1。

　　圖1 10-V、1-kHz正弦波剪切電源軌跡

　　剪切造成的失真影響聽(tīng)覺(jué)享受，通常應當避免。因此，總會(huì )有從電壓至輸出電壓信號的內部壓降。壓降值由電源電壓 (VDD) 減去輸出電壓的RMS值獲得。壓降乘以平均電源電流IDD(avg)　就得到線(xiàn)性放大器的內部功耗。壓降越大，放大器的效率就越低。計算差動(dòng)輸出線(xiàn)性放大器的簡(jiǎn)單方程式如下：

　　h = (p*sqrt(2*PL*RL))/(4*VDD) (1)

　　其中，

　　PL = 喇叭獲得的功率

　　RL = 喇叭電阻

　　VDD = 電源電壓

　　從方程式1中，從12-V電源向8-ohm 喇叭提供3 W 功率的線(xiàn)性放大器的效率僅為45%，也就是說(shuō)，立體聲解決方案的總功耗為13.3 W。一般17英寸LCD監視器(它還需要一個(gè)3 W放大器)的總功耗為90 W。在該例中，線(xiàn)性放大器可消耗提供給LCD監視器總功率的近15%。此外，放大器還散發(fā)7.3 W的熱量，這就要求采用較大的散熱片。

　　3 D類(lèi)APA如何解決線(xiàn)性放大器的問(wèn)題

　　與線(xiàn)性APA不同，D類(lèi)APA的效率不取決于PL或VDD。從理論上講，D類(lèi)APA的效率達100%，因為D類(lèi)輸出晶體管是作為快速開(kāi)啟與關(guān)閉的開(kāi)關(guān)而發(fā)揮作用的。當晶體管開(kāi)啟時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓 (supply voltage)。如果晶體管是完全在理想狀況下的，那么就不會(huì )出現壓降，乘以平均電源電流時(shí)也就不會(huì )導致功率消耗。此外，當晶體管關(guān)閉時(shí)，它們則成為開(kāi)放的電路，無(wú)電流通過(guò)該電路，因此相應也就沒(méi)有功耗。圖2顯示了D類(lèi)APA--TPA3004D2的輸出波形圖。

　　圖2 TPA3004D2、12-W立體聲D類(lèi)APA輸出波形圖

　　不過(guò)，非理想狀態(tài)的晶體管在開(kāi)啟時(shí)并非短路。因此，D類(lèi)效率主要由輸出晶體管的導通電阻rds(on) 決定。計算D類(lèi)放大器的簡(jiǎn)單方程式如下：

　　h = (RL/(RL + rds(on))) x 100% (2)

　　應用前面決定線(xiàn)性放大器效率為45% 時(shí)相同的操作條件，且假定rds(on) 為0.58 ohm，這時(shí)得到D類(lèi)的效率為93%。但是，隨著(zhù)器件進(jìn)入穩定的操作狀態(tài)而升溫，且rds(on) 也隨之升高，我們以 87% 作為效率值以對其進(jìn)行更準確的反映。與線(xiàn)性放大器消耗的13 W相比，D類(lèi)放大器的總功耗僅為6.8 W。由于功耗降低了48%，因此設計人員可采用更小的變壓器與穩壓器。此外，相比于線(xiàn)性放大器高達7.3 W 的功耗，D類(lèi)功耗僅為0.8 W，因此并不要求采用散熱片。

　　250-kHz 的開(kāi)關(guān)頻率對音頻信號進(jìn)行最低 10 倍采樣，從而確保了音頻的高質(zhì)量，與如今采用線(xiàn)性放大器的應用相當或優(yōu)于目前應用水平。圖二給出的高頻PWM輸出波形帶有音頻信號。喇叭作為僅復制音頻頻率的低通濾波器發(fā)揮作用。在大多數應用中，在喇叭之前還要求進(jìn)行最小過(guò)濾以減小 EMI。