細(xì)數(shù)音頻放大器的分類、重要參數(shù)以及相關(guān)介紹
機(jī)或者其他時(shí)尚的便攜式多媒體播放器配上優(yōu)美的旋律,走到哪里都能引來艷羨的目光,特別是在消費(fèi)者對(duì)于音效要求越來越高的今天,好的音效設(shè)計(jì)就意味著產(chǎn)品成功與否,大紅大紫的iPod、iPhone就是對(duì)音效重要性的最好證明。而在音效設(shè)計(jì)過程中,放大器設(shè)備又至關(guān)重要,無論是傳統(tǒng)的A類還是目前炙手可熱的D類,不同的選擇就意味著產(chǎn)品不同的特性??墒悄阒廊绾螢樽约旱脑O(shè)計(jì)選擇合適的放大器嗎?你知道根據(jù)選擇放大器種類的不同如何進(jìn)行五花八門的設(shè)計(jì)嗎?如果在這些問題中你還存在誤解,那就請(qǐng)仔細(xì)閱讀本專題,來自IDT的資深設(shè)計(jì)工程師及美國國家半導(dǎo)體、美信等廠商的高工,共同為你揭示音頻設(shè)計(jì)路上你應(yīng)該掌握的研發(fā)難題。
一、音頻放大器分類
傳統(tǒng)的數(shù)字語音回放系統(tǒng)包含兩個(gè)主要過程:1、數(shù)字語音數(shù)據(jù)到模擬語音信號(hào)的變換(利用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC)實(shí)現(xiàn);2利用模擬功率放大器進(jìn)行模擬信號(hào)放大,如A類、B類和AB類放大器。從1980年代早期,許多研究者致力于開發(fā)不同類型的數(shù)字放大器,這種放大器直接從數(shù)字語音數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)功率放大而不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換,這樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或者D類放大器。
1、A類放大器
A類放大器的主要特點(diǎn)是:放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近,晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)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的線性范圍內(nèi),所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單,調(diào)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%,且有較大的非線性失真。由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。
圖一:A類放大器
2、B類放大器
B類放大器的主要特點(diǎn)是:放大器的靜態(tài)點(diǎn)在(VCC,0)處,當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí),輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi),Q1導(dǎo)通Q2截止,輸出端正半周正弦波;同理,當(dāng)Vi為負(fù)半波正弦波(如圖虛線部分所示),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性區(qū)域內(nèi),故其缺點(diǎn)是“交越失真”較大。即當(dāng)信號(hào)在-0.6V~ 0.6V之間時(shí), Q1 Q2都無法導(dǎo)通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。
圖二:B類放大器
3、AB類放大器
AB類放大器的主要特點(diǎn)是:晶體管的導(dǎo)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妗=惶媸д孑^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(dāng)信號(hào)在-0.6V《+0.6V 之間時(shí),為使Q1,Q2導(dǎo)通,在Q1,Q2的VBE之間增加兩個(gè)偏置電壓,使輸入信號(hào)在+ - 0.6V之間大小的時(shí)候,Q1,Q2也可以線性的放大。這樣既可以獲得較高的功率效率,又能很好的改善B類推挽式放大器的交越失真。理論上也可達(dá)到 78.5%的功率最大值,但實(shí)際上功率的最大值在70%左右可能受到輸出級(jí)拓?fù)浜洼敵黾?jí)斜線的影響,在典型的聽音條件下(全功率的30%左右),功放的效率為35%左右。
圖三:AB類放大器
4、D類放大器
D類(數(shù)字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖亮度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM或 PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器,也稱為開關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字音頻功率放大器也看上去成是一個(gè)一比特的功率數(shù)模變換器。放大器由輸入信號(hào)處理電路、開關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開關(guān)電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成.D類放大或數(shù)字式放大器。系利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號(hào)的。
1. 具有很高的效率,通常能夠達(dá)到85%以上。
2. 體積小,可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。
3. 無裂噪聲接通
4. 低失真,頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少,便于設(shè)計(jì)調(diào)試。
如圖4所示,PDM信號(hào)與PWM信號(hào)相比,沒有固定的工作頻率,其將輸入的音頻信號(hào)調(diào)制成一組脈沖寬度相同但是頻率不同的PDM信號(hào),有效的改善了PWM帶來的EMI問題。目前市場上產(chǎn)品還不是很多。
圖四。 該簡化功能框圖展示了一個(gè)基本的半橋式D類放大器的結(jié)構(gòu)。
圖五。 輸出信號(hào)脈寬與輸入信號(hào)幅值成正比。
PWM(Pulse Width ModulaTIon)中A類、B類和AB類放大器是模擬放大器,D類放大器是數(shù)字放大器。B類和AB類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小,功放晶體管功耗較小,散熱好,但B類放大器在晶體管導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換過程中會(huì)因其開關(guān)特性不佳或因電路參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真,頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少優(yōu)點(diǎn)。AB類放大器和D類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式。