為便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)D類音頻放大器

不同含義的效率

　　D類音頻放大器最具吸引力的特性是高效率。音頻放大器的效率有多種含義不同的效率，傳統(tǒng)定義是輸出電功率與總輸入功率之比。對(duì)于音頻放大器，轉(zhuǎn)換為可聽(tīng)聲音的電功率與總輸入功率之比需要最大，這引出了另一個(gè)含義的效率。請(qǐng)注意這兩個(gè)效率定義之間的差別：

　　A.總電氣效率=輸出功率/輸入功率;

　　B. 可聽(tīng)聲音電氣效率=可聽(tīng)聲音電氣輸出功率/輸入功率。

　　音頻電氣效率總是低于總電氣效率，D類音頻放大器尤其如此。

　　下面是一些提高可聽(tīng)聲音電氣效率的常用方法：

　　一、不要使用低于揚(yáng)聲器響應(yīng)頻率范圍的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。例如，大多數(shù)手機(jī)使用的小尺寸揚(yáng)聲器不能有效地響應(yīng)低于400Hz的信號(hào)，而音頻信號(hào)源可能輸出低至30Hz的頻率分量。用低于該頻率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)這些揚(yáng)聲器，不僅會(huì)浪費(fèi)電能和降低可聽(tīng)聲音電氣效率，而且還會(huì)因?yàn)閷P(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)到線性位移范圍之外而增大揚(yáng)聲器非線性產(chǎn)生的失真。由于大多數(shù)音頻信號(hào)源發(fā)出的最低信號(hào)頻率低于400Hz，因此需在音頻放大器前面放置高通濾波器。可利用輸入耦合電容和放大器的固定輸入阻抗簡(jiǎn)單地形成高通濾波器來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。該濾波器的截止頻率可設(shè)置為揚(yáng)聲器低端截止頻率的幾分之一。

　　二、不要使用高于揚(yáng)聲器高端截止頻率的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。對(duì)于手機(jī)中使用的典型小尺寸揚(yáng)聲器，這個(gè)頻率在4KHz到10KHz之間，而有些音頻信號(hào)源的信號(hào)最高頻率可高達(dá)20kHz。以高于這個(gè)頻率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)這些揚(yáng)聲器不僅會(huì)浪費(fèi)電能和降低可聽(tīng)聲音電氣效率，而且也使音頻信號(hào)的波峰因數(shù)(峰值/RMS值)很高，增大了輸出信號(hào)被輸出級(jí)截?cái)嘁灾略黾邮д娴目赡苄浴榱朔乐剐盘?hào)源的高端信號(hào)頻率高于揚(yáng)聲器的高端截止頻率，可在信號(hào)源和音頻放大器輸入之間插入低通濾波器，它可以是簡(jiǎn)單的RC濾波器。將低通濾波器放在輸出級(jí)之后效果不好，由于信號(hào)的波峰因數(shù)高，信號(hào)可能在到達(dá)低通濾波器之前已被輸出級(jí)截?cái)唷?/p>

　　三、盡量減小揚(yáng)聲器中的開(kāi)關(guān)頻率電流。依賴于D類放大器使用的調(diào)制方案，揚(yáng)聲器兩端的差分電壓在開(kāi)關(guān)頻率下變化幅度很大。應(yīng)選擇具有“無(wú)濾波”調(diào)制方案且開(kāi)關(guān)頻率足夠高的放大器，否則，需在放大器輸出端用外部電感濾掉開(kāi)關(guān)頻率分量。8Ω手機(jī)揚(yáng)聲器的典型固有電感在10μH到15μH之間，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為1MHz時(shí)，15μH電感與8Ω直流電阻的總阻抗為94.6Ω。SSM2301/2302/2304/2306系列產(chǎn)品使用Σ-Δ脈沖密度調(diào)制(PDM)，開(kāi)關(guān)頻率為1.8MHz。這種調(diào)制方案在揚(yáng)聲器兩端產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率電壓較低，而高開(kāi)關(guān)頻率使揚(yáng)聲器能利用固有電感有效地阻斷開(kāi)關(guān)信號(hào)，因而這些器件無(wú)需使用外部電感就可把揚(yáng)聲器中的開(kāi)關(guān)頻率電流保持在低水平。

　　將電磁干擾降至最低

　D類音頻放大器的工作原理決定它需要使用開(kāi)關(guān)型輸出級(jí)，而這種輸出級(jí)會(huì)發(fā)射出很強(qiáng)的電磁干擾。參見(jiàn)圖1中的原理圖，插入電感或鐵氧體磁珠和使用電容進(jìn)行旁路的措施可把電磁干擾降到低于一定水平進(jìn)而通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的EMI測(cè)試。下面是選擇電感和鐵氧體磁珠的一些基本準(zhǔn)則：

　　一、 使用額定電流高和開(kāi)放式磁回路磁芯電感，以避免電感器飽和非線性所產(chǎn)生的失真。屏蔽型電感的飽和曲線常常很“硬”。

　　與相同額定電流的電感相比，鐵氧體磁珠尺寸較小但造成的失真較大。

　　二、 調(diào)制方案對(duì)輸出電磁干擾會(huì)產(chǎn)生重大影響。ADI公司的SSM2301/2302/2304所使用的Σ-Δ脈沖密度調(diào)制可使電磁干擾均勻地散播出去，更易于通過(guò)EMI測(cè)試。

　　PCB(印制電路板)布局對(duì)降低電磁干擾有非常重要的作用。一個(gè)關(guān)鍵措施是讓電源和輸出去耦電容器彼此靠近，這樣就可以將它們的地線端子直接焊在一起，參見(jiàn)圖2給出的PCB布局，它是基于圖1的原理圖實(shí)現(xiàn)的。

　　另外請(qǐng)注意，所有連接到揚(yáng)聲器端子的PCB走線始于去耦電容焊盤而不是鐵氧體磁珠焊盤，否則，電磁干擾無(wú)法降到最低限度。對(duì)于Vdd軌，我們對(duì)C6使用了同樣的技術(shù)。放大器的引腳5和8節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁干擾最大，這些節(jié)點(diǎn)的物理連接尺寸應(yīng)盡可能地小，同時(shí)不要在這些節(jié)點(diǎn)上布局長(zhǎng)的PCB走線。

盡量減少失真和噪聲

　　下面是一些實(shí)現(xiàn)低失真的技術(shù)：

　　1、對(duì)于要求失真極低的系統(tǒng)，如THD+N(總諧波失真+噪聲)←65dB，應(yīng)在輸出端加電感而不是加鐵氧體磁珠，因?yàn)楹笳呔哂休^高的非線性。

　　2、采用額定電壓為25V到50V甚至更高、使用X7R材料制造的高壓多層陶瓷電容器作為輸入耦合電容(圖1中的C1和C2)。同額定電壓高的電容器相比，低壓電容器的電容值隨偏置電壓變化的幅度更大。

　　3、將負(fù)的輸入節(jié)點(diǎn)連接到信號(hào)源(如音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器或編碼解碼器)的地線，而不要簡(jiǎn)單地把它連接到自己的接地點(diǎn)上。這種連接方式可最大限度地降低共模噪聲。

　　4、避免將音頻信號(hào)源器件放在遠(yuǎn)離放大器的地方，避免對(duì)輸入節(jié)點(diǎn)使用長(zhǎng)PCB走線。如果迫不得已，將輸入節(jié)點(diǎn)線對(duì)平行布線：一條走線放在板的正面，另一條放在反面。這種方式可最大限度地降低回路所接收到的電磁干擾。

　　5、避免將高頻(>1MHz)電磁干擾引入到輸入端口，否則，整流效應(yīng)可能把高頻電磁干擾轉(zhuǎn)換成可聽(tīng)噪聲。圖3顯示了這種整流效應(yīng)。

　其它需關(guān)注的問(wèn)題

　　消除喀噠聲和噼啪聲：在開(kāi)機(jī)或關(guān)機(jī)時(shí)，關(guān)斷引腳的切換可使放大器啟動(dòng)或停止，如果放大器IC的設(shè)計(jì)不合適，揚(yáng)聲器在此時(shí)會(huì)發(fā)出某種“喀噠”聲或“劈啪”聲。前者由窄脈沖產(chǎn)生，而后者由緩慢衰減的階躍函數(shù)產(chǎn)生。通常，D類音頻放大器IC(如SSM2301/2302/2304/2306)具備消除“喀噠”聲和“噼啪”聲的功能。在產(chǎn)品投入量產(chǎn)之前應(yīng)全面測(cè)試這些功能。

　　如果放大器一直與電池相連，關(guān)斷電流可能是另一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。在選擇放大器IC時(shí)，注意留意這個(gè)參數(shù)。

　　PSRR(電源抑制比)：對(duì)于手機(jī)應(yīng)用，這個(gè)指標(biāo)特別重要，但它常常通過(guò)IC設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)層面做不了什么。

　　收聽(tīng)效果

　　音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)獲得良好的收聽(tīng)效果，它對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否成功擁有最終決定權(quán)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要聲學(xué)設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。在不久的將來(lái)，便攜式電子音頻放大器可能會(huì)結(jié)合一些可均衡頻率響應(yīng)、降低失真和優(yōu)化收聽(tīng)效果的智能或自動(dòng)化方法。