D類(lèi)音頻功率放大器的評(píng)估及應(yīng)用
[導(dǎo)讀]下面將簡(jiǎn)單介紹D類(lèi)功放的工作原理，以及基本的測(cè)試方法。
現(xiàn)今幾類(lèi)基本功放拓?fù)渲校珹B類(lèi)功率放大器已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各種音頻產(chǎn)品，包括手機(jī)、mp3播放器和PMP系統(tǒng)中?？紤]到AB類(lèi)功率放大器能夠提供高品質(zhì)的信號(hào)放大性能，因此非常適合耳機(jī)和一些小功率喇叭的應(yīng)用。但是由于更多、更新的便攜式產(chǎn)品對(duì)多媒體功能有著更高的要求，立體聲音頻，3D環(huán)繞音效以及大音量輸出已逐漸成為新一代便攜式多媒體產(chǎn)品必不可少的功能。更小的外形設(shè)計(jì)、使用更薄的電池、較低的效率成為AB類(lèi)功率放大器的致命弱點(diǎn)。為了解決節(jié)能和大功率音頻輸出之間的矛盾，D類(lèi)功放較之AB類(lèi)在效率上有了很大的提升，已逐步應(yīng)用在一些高端產(chǎn)品中。下面將簡(jiǎn)單介紹D類(lèi)功放的工作原理，以及基本的測(cè)試方法。
以安森美半導(dǎo)體公司NCP2820為例，D類(lèi)功率放大器使用完全不同于AB類(lèi)的工作模式，如圖1所示，NCP2820內(nèi)部由三部分組成：預(yù)放大、采樣及脈寬調(diào)制和H型功率輸出部分。
預(yù)放大，由一個(gè)全差分模擬運(yùn)放構(gòu)成，對(duì)輸入的差分信號(hào)做相應(yīng)的放大，增益由內(nèi)部固定阻值的電阻Rf除以Ri得來(lái)。Ci和Ri構(gòu)成一個(gè)低通濾波電路，隔離輸入信號(hào)中不需要的直流部分。由于NCP2820使用了全差分運(yùn)放，所以如果輸入為全差分信號(hào)，Ci也可以省略。
采樣及脈寬調(diào)制，把預(yù)防大以后的信號(hào)和一個(gè)250kHz的三角波相比較后形成一個(gè)250kHz脈寬調(diào)制的方波信號(hào)。每個(gè)脈沖的寬度實(shí)時(shí)體現(xiàn)了輸入信號(hào)的幅度。
H型輸出電路，如圖1中顯示由兩對(duì)MOSFET構(gòu)成，并由前級(jí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)。產(chǎn)生具有功率輸出的脈沖信號(hào)到負(fù)載揚(yáng)聲器?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的8Ω動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，其內(nèi)部線(xiàn)圈具有近似15mH感抗和本身8Ω的阻抗構(gòu)成解調(diào)電路，可以把脈沖方波還原成模擬信號(hào)。這也是為什么不需要在輸出端外加低通濾波器做解調(diào)電路的原因。
NCP2820使用了1.5mm×1.5mm flip-chip的小型封裝，以及很少的外部器件，使電路設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，電路板布線(xiàn)也更為方便。但這里需要強(qiáng)調(diào)的是由于D類(lèi)功放的輸出為近似 250kHz的脈沖波形，所以在布線(xiàn)時(shí)，盡量使功放靠近揚(yáng)聲器，以避免不必要的噪聲和干擾。
工程師在對(duì)AB類(lèi)功放進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以直接用示波器探頭捕捉到實(shí)際的輸入和輸出波形。但是在測(cè)試D類(lèi)功放時(shí)，由于輸出不是模擬的音頻信號(hào)，而是一定頻率的數(shù)字脈沖方波，這就需要附加濾波器來(lái)進(jìn)行測(cè)試。圖2為D類(lèi)音頻功放的測(cè)試配置。
從工程師的角度看，THD+N（總諧波失真+噪聲）和PSRR（電源抑制比）是相對(duì)比較重要的兩個(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)直接體現(xiàn)了音頻放大器的性能。
圖3給出了測(cè)試諧波失真+噪聲的電路配置。利用音頻分析儀的信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生供測(cè)試用的標(biāo)準(zhǔn)正弦差分或單端信號(hào)輸入到NCP2820，并檢測(cè)NCP2820的輸出端。可以按照測(cè)試設(shè)定的要求分析輸入以及輸出信號(hào)，并按照設(shè)定，顯示出測(cè)試結(jié)果。
如果設(shè)定測(cè)試輸出THD+N性能相對(duì)輸出功率時(shí)，音頻分析儀的信號(hào)發(fā)生器會(huì)在一個(gè)固定頻率點(diǎn)上調(diào)整輸入到NCP2820的正弦波的幅度，并且測(cè)試出在不同幅度輸入下輸出信號(hào)的諧波值，依據(jù)給定負(fù)載計(jì)算出功率。這個(gè)功率值除以基帶功率就得到THD+N的測(cè)試結(jié)果，并以圖形形式表現(xiàn)出來(lái)，如圖4為 NCP2820在4.2V電源電壓，8Ω負(fù)載下，得到的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯鯪CP2820 在1W的輸出功率下，THD+N<1%保證了輸出音樂(lè)的質(zhì)量
如果需要測(cè)試輸出THD+N性能相對(duì)信號(hào)頻率時(shí)，音頻分析儀的信號(hào)發(fā)生器會(huì)在一個(gè)固定幅度點(diǎn)上調(diào)整輸入到NCP2820的正弦波的頻率從 20Hz~20KHz，同時(shí)分析儀的接受端口測(cè)試出在不同頻率輸入下輸出信號(hào)的諧波值，每個(gè)測(cè)試值都需要與基帶頻率相比然后以圖形的形式表現(xiàn)出來(lái), 圖5為NCP2820 在8Ω負(fù)載下得到THD+N性能相對(duì)頻率的特性曲線(xiàn)。
THD+N的性能決定了輸出音質(zhì)的好壞。由于D類(lèi)功放的工作原理，因此性能會(huì)略差于AB類(lèi)功放。
另一個(gè)相對(duì)重要的性能參數(shù)就是PSRR電源抑制比，這個(gè)參數(shù)體現(xiàn)了功放受電源電壓波動(dòng)影響的程度。在便攜式無(wú)線(xiàn)通訊產(chǎn)品中顯得尤為重要。
如圖6中所示為電源抑制比測(cè)試的基本配置?？梢钥闯龊椭C波失真測(cè)試不同，此時(shí)的NCP2820的輸入端被接到地，理想情況下BTL輸出得到的差分信號(hào)應(yīng)該為零。但是由于電源波動(dòng)會(huì)造成輸出信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)，從而產(chǎn)生可以被聽(tīng)見(jiàn)的噪聲。在測(cè)量電源抑制比相對(duì)電源波動(dòng)頻率時(shí)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)幅度固定頻率從20Hz~20KHz的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，通過(guò)BUFFER驅(qū)動(dòng)提供NCP2820工作所需的直流分量。分析儀的接受端口測(cè)試出在20Hz~20KHz頻率下，輸出信號(hào)的有效值，然后和輸入信號(hào)有效值相比較，并以圖形表示出來(lái)，如圖7以dB為單位表示的NCP2820的電源抑制比特性波特圖。
以安森美半導(dǎo)體公司NCP2820為例，D類(lèi)功率放大器使用完全不同于AB類(lèi)的工作模式，如圖1所示，NCP2820內(nèi)部由三部分組成：預(yù)放大、采樣及脈寬調(diào)制和H型功率輸出部分。
預(yù)放大，由一個(gè)全差分模擬運(yùn)放構(gòu)成，對(duì)輸入的差分信號(hào)做相應(yīng)的放大，增益由內(nèi)部固定阻值的電阻Rf除以Ri得來(lái)。Ci和Ri構(gòu)成一個(gè)低通濾波電路，隔離輸入信號(hào)中不需要的直流部分。由于NCP2820使用了全差分運(yùn)放，所以如果輸入為全差分信號(hào)，Ci也可以省略。
采樣及脈寬調(diào)制，把預(yù)防大以后的信號(hào)和一個(gè)250kHz的三角波相比較后形成一個(gè)250kHz脈寬調(diào)制的方波信號(hào)。每個(gè)脈沖的寬度實(shí)時(shí)體現(xiàn)了輸入信號(hào)的幅度。
H型輸出電路，如圖1中顯示由兩對(duì)MOSFET構(gòu)成，并由前級(jí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)。產(chǎn)生具有功率輸出的脈沖信號(hào)到負(fù)載揚(yáng)聲器?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的8Ω動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，其內(nèi)部線(xiàn)圈具有近似15mH感抗和本身8Ω的阻抗構(gòu)成解調(diào)電路，可以把脈沖方波還原成模擬信號(hào)。這也是為什么不需要在輸出端外加低通濾波器做解調(diào)電路的原因。
NCP2820使用了1.5mm×1.5mm flip-chip的小型封裝，以及很少的外部器件，使電路設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，電路板布線(xiàn)也更為方便。但這里需要強(qiáng)調(diào)的是由于D類(lèi)功放的輸出為近似 250kHz的脈沖波形，所以在布線(xiàn)時(shí)，盡量使功放靠近揚(yáng)聲器，以避免不必要的噪聲和干擾。
工程師在對(duì)AB類(lèi)功放進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以直接用示波器探頭捕捉到實(shí)際的輸入和輸出波形。但是在測(cè)試D類(lèi)功放時(shí)，由于輸出不是模擬的音頻信號(hào)，而是一定頻率的數(shù)字脈沖方波，這就需要附加濾波器來(lái)進(jìn)行測(cè)試。圖2為D類(lèi)音頻功放的測(cè)試配置。
從工程師的角度看，THD+N（總諧波失真+噪聲）和PSRR（電源抑制比）是相對(duì)比較重要的兩個(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)直接體現(xiàn)了音頻放大器的性能。
圖3給出了測(cè)試諧波失真+噪聲的電路配置。利用音頻分析儀的信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生供測(cè)試用的標(biāo)準(zhǔn)正弦差分或單端信號(hào)輸入到NCP2820，并檢測(cè)NCP2820的輸出端。可以按照測(cè)試設(shè)定的要求分析輸入以及輸出信號(hào)，并按照設(shè)定，顯示出測(cè)試結(jié)果。
如果設(shè)定測(cè)試輸出THD+N性能相對(duì)輸出功率時(shí)，音頻分析儀的信號(hào)發(fā)生器會(huì)在一個(gè)固定頻率點(diǎn)上調(diào)整輸入到NCP2820的正弦波的幅度，并且測(cè)試出在不同幅度輸入下輸出信號(hào)的諧波值，依據(jù)給定負(fù)載計(jì)算出功率。這個(gè)功率值除以基帶功率就得到THD+N的測(cè)試結(jié)果，并以圖形形式表現(xiàn)出來(lái)，如圖4為 NCP2820在4.2V電源電壓，8Ω負(fù)載下，得到的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯鯪CP2820 在1W的輸出功率下，THD+N<1%保證了輸出音樂(lè)的質(zhì)量
如果需要測(cè)試輸出THD+N性能相對(duì)信號(hào)頻率時(shí)，音頻分析儀的信號(hào)發(fā)生器會(huì)在一個(gè)固定幅度點(diǎn)上調(diào)整輸入到NCP2820的正弦波的頻率從 20Hz~20KHz，同時(shí)分析儀的接受端口測(cè)試出在不同頻率輸入下輸出信號(hào)的諧波值，每個(gè)測(cè)試值都需要與基帶頻率相比然后以圖形的形式表現(xiàn)出來(lái), 圖5為NCP2820 在8Ω負(fù)載下得到THD+N性能相對(duì)頻率的特性曲線(xiàn)。
THD+N的性能決定了輸出音質(zhì)的好壞。由于D類(lèi)功放的工作原理，因此性能會(huì)略差于AB類(lèi)功放。
另一個(gè)相對(duì)重要的性能參數(shù)就是PSRR電源抑制比，這個(gè)參數(shù)體現(xiàn)了功放受電源電壓波動(dòng)影響的程度。在便攜式無(wú)線(xiàn)通訊產(chǎn)品中顯得尤為重要。
如圖6中所示為電源抑制比測(cè)試的基本配置?？梢钥闯龊椭C波失真測(cè)試不同，此時(shí)的NCP2820的輸入端被接到地，理想情況下BTL輸出得到的差分信號(hào)應(yīng)該為零。但是由于電源波動(dòng)會(huì)造成輸出信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)，從而產(chǎn)生可以被聽(tīng)見(jiàn)的噪聲。在測(cè)量電源抑制比相對(duì)電源波動(dòng)頻率時(shí)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)幅度固定頻率從20Hz~20KHz的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，通過(guò)BUFFER驅(qū)動(dòng)提供NCP2820工作所需的直流分量。分析儀的接受端口測(cè)試出在20Hz~20KHz頻率下，輸出信號(hào)的有效值，然后和輸入信號(hào)有效值相比較，并以圖形表示出來(lái)，如圖7以dB為單位表示的NCP2820的電源抑制比特性波特圖。
綜上所述，音頻放大器的測(cè)試配置需要依賴(lài)專(zhuān)業(yè)的音頻分析儀進(jìn)行，通常工程師會(huì)對(duì)系統(tǒng)作整體的測(cè)試，而不會(huì)針對(duì)放大器IC做上述詳細(xì)的測(cè)試。安森美半導(dǎo)體公司所提供的所有音頻放大器件包括NCP2890, NCP2892, NCP2809, NCP4894, NCP2820，NCP2821都在datasheet中提供了相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
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