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揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)中選擇正確的放大器

作者: 時(shí)間:2012-04-09 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/186649.htm

隨著時(shí)間的推移,便攜式設(shè)備音頻放大電路的使用模型已經(jīng)得到了長足的發(fā)展。最近,蜂窩電話和其它便攜式電子產(chǎn)品都集成了聽筒、耳機(jī)和近場(用于免提操作)。另外,再現(xiàn)音樂(MP3文件)和電影聲道也給音頻通道帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。結(jié)果,音頻通道的功耗不再是枝節(jié)問題,而是成為了功率泄漏的主要渠道。而且,低保真度的聲音再現(xiàn)也成為了過去時(shí),如今的音頻傳輸要求100dB以上的信噪比和小于0.1%的總諧波失真。

耳機(jī)

聲學(xué)音頻功率一般分成兩種工作類型:耳機(jī)(HPA)和放大器(SPA)。耳機(jī)放大器必須驅(qū)動(dòng)32Ω或16Ω揚(yáng)聲器高達(dá)30mW,并且還要保持非常高的音頻質(zhì)量(典型值是105dB SNR,0.01%THD和20kHz帶寬)。不過,對耳機(jī)應(yīng)用來說,30mW是一個(gè)非常高的輸出功率,它高到足以使人感到疼痛。典型的收聽電平在100μW至1mW之間。

在32Ω負(fù)載上產(chǎn)生30mW功率需要1.4V的峰值信號擺幅,同時(shí),還要為IR壓降準(zhǔn)備額外的余量。因此,通常使用±1.8V的供電電壓來達(dá)到30mW的輸出功率。

典型的耳機(jī)線纜包含3根:兩根分別用于左右驅(qū)動(dòng)信號,另一根則用于公共的返回地。此外,還可能需要增加其它線路用于音量控制、靜音或麥克風(fēng)輸出。在這樣的配置下,立體聲耳機(jī)放大器必須采用單端輸出。

但是如果供電采用單電壓軌,這將導(dǎo)致很大的直流偏置問題。為了避免使用大的交流耦合電容,大多數(shù)耳機(jī)放大器采用分離電源供電,即通常用一個(gè)片上逆變電荷泵產(chǎn)生負(fù)電壓軌。

大多數(shù)耳機(jī)放大器采用線性放大器(例如:A/B類輸出級的變體)來實(shí)現(xiàn)耳機(jī)放大器所要求的高品質(zhì)音頻性能。傳統(tǒng)的A/B類放大器由A類和B類工作模式組成(圖1)。這類放大器一般設(shè)計(jì)為在低輸出功率時(shí)主要工作在A類。由于交越失真很小,所以A類狀態(tài)可以提供最佳的音頻性能。

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1:帶常用輸出級配置的A類(a)、B類(b)和A/B類(c)線性放大器設(shè)計(jì)

B類工作模式在高輸出電平時(shí)生效,這時(shí),它具有比A類更高的效率。但是,B類工作模式具有較高的交越失真??傊?,A/B類放大器可以取得非常低的總諧波失真,因?yàn)榻辉绞д娲蟛糠挚梢杂砷]環(huán)反饋衰減掉。

在恒定供電條件下,A/B類放大器效率正比于輸出電壓擺幅。為了挽回低輸出功率時(shí)的效率損失,可以使用“G類工作模式”技術(shù)來降低低電平信號時(shí)的電壓軌值。

需要用一個(gè)電路來檢測輸入信號電平。如果該電平超過一個(gè)預(yù)先確定的門限值,就可以根據(jù)需要將電壓軌抬高到更高的值。大多數(shù)G類放大器具有兩個(gè)電壓軌值:一個(gè)用于大信號擺幅的高軌值(VDD),以及一個(gè)用于低電平信號的只有VDD一小部分(如VDD的1/2)的低軌值(圖2)。這樣,在滿刻度輸出功率1/4處的信號效率近似等于滿刻度功率信號時(shí)的效率(圖3)。

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圖2:G類耳機(jī)放大器(帶分離電源)有助于挽回低輸出功率時(shí)的效率損失

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圖3:在G類耳機(jī)放大器工作中,1/4滿刻度輸出功率的信號效率近似等于滿刻度功率信號的功率。

這里,信號電平驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電壓軌值

G類工作模式的一個(gè)變體被命名為“H類工作模式”,此時(shí)供電軌隨著峰值信號要求連續(xù)變化(圖4和圖5)。這樣可以最大限度地提高所有信號電平點(diǎn)的效率。但由于電路設(shè)計(jì)和工藝限制的原因,H類工作模式的最小電壓軌值是受限的。

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圖4:H類耳機(jī)放大器的電壓軌隨峰值信號要求連續(xù)變化

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圖5:H類工作模式(G類的一個(gè)變體)在耳機(jī)放大器中很少見到,但它可以最大限度地提高所有信號電平點(diǎn)的效率。

不過,它對最小供電電平有所限制

一些制造商將術(shù)語“H類”套用到實(shí)際上是工作在G類的耳機(jī)放大器上。真正的H類工作模式在目前的IC耳機(jī)放大器中幾乎很少見到。

揚(yáng)聲器放大器

便攜式電子產(chǎn)品中的揚(yáng)聲器放大器(用于免提和揚(yáng)聲器話機(jī)工作等近場應(yīng)用)通常需要驅(qū)動(dòng)8Ω或4Ω的揚(yáng)聲器。典型的收聽電平落在100至300mW范圍,但I(xiàn)C放大器通常能夠提供1至2.7W的平均輸出功率,峰值輸出則接近該電平的兩倍。

為了在8Ω負(fù)載上產(chǎn)生1.7W功率,揚(yáng)聲器放大器必須向揚(yáng)聲器負(fù)載提供5.2V峰值或約3.7V有效值的電壓。考慮到IR壓降方面的余量,一個(gè)1.7W的揚(yáng)聲器放大器一般使用5.5V的電壓軌。如果用更大的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)更低的IR壓降,那么稍高于1.8W也有可能。這些輸出功率值具有1%的總諧波失真。在總諧波失真為10%時(shí),可以產(chǎn)生更大的輸出功率。

一般來說,在便攜式音頻產(chǎn)品中,近場揚(yáng)聲器不會再現(xiàn)高質(zhì)量音頻。因此,揚(yáng)聲器放大器通常無需達(dá)到耳機(jī)放大器的音頻性能。典型的音頻性能是全功率時(shí)1%的總諧波失真,10kHz帶寬和94dB信噪比。

與耳機(jī)放大器相比,效率對揚(yáng)聲器放大器來說是一個(gè)更加重要的因素,因?yàn)閾P(yáng)聲器放大器的功率電平要高得多。耳機(jī)放大器的效率一般低于50%——這并不算高,但與具有4.7Wh容量的電池相比卻是很小的功耗(對正常收聽電平來說約為電池容量的0.01%)。然而,工作在1W的揚(yáng)聲器放大器同樣50%的功耗卻等于0.5W,或約為電池容量的10%。

D類揚(yáng)聲器放大器

耳機(jī)放大器和揚(yáng)聲器放大器工作效率對比的重要性,是在一個(gè)或另一個(gè)收聽模式中所花時(shí)間的函數(shù)。比方說,蜂窩話機(jī)在揚(yáng)聲器模式時(shí)會消耗更多的功率,因此效率就變得非常重要??梢允褂镁€性放大器(如A/B類)來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器(過去經(jīng)常如此),但今天首選的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器卻是D類放大器(圖6)。D類揚(yáng)聲器放大器可以在很寬的輸出功率電平內(nèi)保持高效率,而只有在功率電平低于全功率的1%至2%時(shí),效率才開始下降。

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圖6:目前揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的流行選擇是D類放大器,它能在多個(gè)輸出功率電平點(diǎn)提供高效率

D類放大器不是線性的,而是一種開關(guān)放大器。在開關(guān)放大器中,高頻載波(相對于音頻頻帶)會對音頻輸入信號進(jìn)行調(diào)制,一般從100kHz至1MHz。因此,輸出級可以被“數(shù)字”切換(軌到軌),從而將輸出功率器件置于開(on)或關(guān)(off)狀態(tài),這正是最高效率點(diǎn)。

開關(guān)放大器通常配置在電橋模式,以差分方式驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載,這樣可以避免使用輸出交流耦合電容。因?yàn)殡姌蚰J降姆糯笃髅總€(gè)通道使用4個(gè)功率開關(guān),所以體積是單端輸出級放大器的兩倍。然而,在給定電壓軌條件下,電橋模式輸出級的輸出功率卻是單端放大器的4倍。

D類放大器可以實(shí)現(xiàn)很高的效率,一般超過90%。但是使用這類放大器也有缺點(diǎn)。因?yàn)橐纛l內(nèi)容現(xiàn)在是調(diào)制過的信號,所以必須通過某種低通濾波器(LPF)解調(diào)后,才能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載。不會造成效率損失或失真問題的大功率LPF不僅體積大,而且價(jià)格昂貴,因此,在便攜式設(shè)備中無法使用。

然而,便攜式設(shè)備中的揚(yáng)聲器本身就是一個(gè)LPF,它可以向典型的載頻提供高阻抗。在像蜂窩話機(jī)這樣的便攜式設(shè)備中,經(jīng)常將揚(yáng)聲器用作LPF,并用它解調(diào)開關(guān)放大器的輸出信號。有時(shí),在D類的輸出端串聯(lián)一些鐵氧體磁珠來減少大功率開關(guān)輸出所產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。由于揚(yáng)聲器具有高阻抗,其調(diào)制信號僅耗散非常小的能量,因此能夠保持很好的效率。

但是當(dāng)揚(yáng)聲器放大器輸出和揚(yáng)聲器負(fù)載之間使用長線,并且沒有獨(dú)立的低通濾波器時(shí),使用開關(guān)放大器會帶來嚴(yán)重的EMI問題?;谶@個(gè)原因,如果耳機(jī)位于長線的末端,耳機(jī)放大器就不會使用D類放大器。因此,D類放大器應(yīng)靠近揚(yáng)聲器負(fù)載,以避免產(chǎn)生過多的電磁干擾輻射。

業(yè)界也經(jīng)常使用其它類型的揚(yáng)聲器放大器,但大多數(shù)是本文所述的線性和開關(guān)模式放大器設(shè)計(jì)的變體。在現(xiàn)代便攜式電子產(chǎn)品中,對更高電池能量的需求與日俱增。用于視頻內(nèi)容的高分辨率大型彩色顯示器,高分辨率相機(jī)和閃存,以及大功率音頻輸出都會影響電池壽命。為了延長電池運(yùn)行時(shí)間,提高音頻揚(yáng)聲器放大器的效率隨即成為了重要的設(shè)計(jì)考慮因素。

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