便攜式音頻功率放大器的設計

便攜式系統(tǒng)都需要一個音頻功率放大器用來驅動小的揚聲器，輸出功率1W~2W，用來驅動揚聲器（RL=8/4ohm），同時提供50mW~100mW的功率用來驅動耳機（RL=32/16ohm）。在此情況下，BCD開發(fā)了自己的便攜式系統(tǒng)中，音頻功率放大器產(chǎn)品。
 

　　一、 單端（SE）輸出 vs. 橋式（BTL）輸出

　　輸出結構常見的有兩種，SE(Single-ended)模式與BTL(Bridge-Tied-Load)模式，見下圖-1。

圖-1  單端模式與橋式模式

 　　在便攜式系統(tǒng)中，常見的直流電源電壓，（+1.8V，+2.5V，+3.3V）通常不會超過+5.0V，如果是單端結構，輸出的峰-峰值電壓Vp-p最大只有5.0V，實際上由于輸出級上、下管子的飽和壓降，在沒有被削波的前提下，Vp-p最大只有4.5V左右，這樣有效值 = =1.59V，全部加到RL=4ohm的負載，輸出功率 =0.63W。所以單端結構，無法輸出2W功率。

　　如果是BTL輸出結構，Vp-p則可以達到8.0V，有效值 = =2.828V，加到RL=4ohm的負載，輸出功率 =2.0W。

　　因此要在VCC=5.0V條件下輸出2W左右的功率，只能采用橋式輸出結構。所以單端結構常用來驅動耳機，而BTL結構常用來驅動音箱。見下圖-2 AA4002典型應用原理圖。

圖-2  AA4002典型應用圖

　　從上圖中，看到在驅動耳機時，還需要有一個較大的電解電容，它的作用是，
　?、?nbsp;隔斷直流基準電壓Vbias（1/2VCC）。如果沒有隔直，直流電壓會直接流過后面的揚聲器線圈，使紙盆平衡位置偏向一端，Vbias過大甚至損壞線圈。
　　② 耦合交流的音頻信號，它與揚聲器負載構成了一階高通濾波網(wǎng)絡，見圖-1。由經(jīng)典公式（1）可知，電容值的大小影響低頻處的截止頻率fc有關。

公式（1）
電容Co越大，截止頻率fc越低，意味著更低的頻率可以耦合到負載，見圖-3。

  圖-3  不同耦合電容下的頻響（RL=16ohm）

　　BTL結構則不需要耦合電容，節(jié)約系統(tǒng)成本，節(jié)省PCB空間，改善低頻響應。

　　不僅如此，BTL結構輸出，它能有效地抑制共模噪聲。在相同的輸出功率條件下，橋式模式的噪聲明顯小于單端模式下的噪聲，見下圖-4對比，通道1（藍色）--負載兩端，通道2（綠色）--電源。這是因為相同的沖擊會同時出現(xiàn)在橋式輸出結構的‘+’、‘-’兩端，通過負載后，會相互抵消，不對揚聲器做功，聽不到”POP”聲，這種結構對于上電、掉電噪聲，操作噪聲都有很好的抑制。

圖-4  橋式模式與單端模式輸出的”POP”噪聲

      
　　實際上，講輸出功率是多少，通常需要指定條件，比如電源電壓[VCC]，輸出負載[RL]，諧波失真[THD+N]。只有這些條件確定之后，輸出功率才有意義。在產(chǎn)品規(guī)格書中，通常會提供以下圖表，輸出功率 vs.電源電壓，見圖-5，輸出功率vs.負載，圖-6，以及輸出功率vs.諧波失真+噪聲，圖-7。

圖-5  AA4002 Po vs. Supply voltage with different THD+N

圖-6  AA4002 Output Power vs. Load Resistor
 

圖-7  AA4002 THD+N vs. Output Power

 　　二、 低音增強

　　對于小功率的音箱，由于尺寸的限制，它們的低頻響應通常都很差，而人耳又偏偏對于低頻的音樂反映不敏感。有必要在電子線路上想辦法，解決這一問題。低音增強，它的實現(xiàn)方法是在反饋回路中，通過增加電容，來實現(xiàn)低頻部分的增益大于通帶內(nèi)的增益，相當于環(huán)路系統(tǒng)中增加了一個極點，一個零點，在AA4002的典型應用電路圖中，電容C2、C11就是這樣的電容，見圖-2。

　　那么它的理想傳遞函數(shù)，公式（x）
           
　　極點，

　　零點，

　　假設R1=R2=R3=20K，C2=0.068uF，則可以計算出f_ZERO=234Hz，f_POLE=117Hz，波特圖如下。這個幅度與相位只是對于低音增強這一段，如果是BTL輸出，則增益還會增加一倍（6dB），如果信號從PIN10/12腳輸入，經(jīng)過兩級反相，則輸出端、輸入端的相位差接近0DEG，具體可以參考AA4002 Design tools。

結論：便攜式音頻功率放大器設計達到了預期的目標，在此基礎上可以設計自己想要的便攜式產(chǎn)品。