改善平板顯示器的音頻性能

引言

　　音頻功率放大器 (APA) 技術(shù)的最新發(fā)展進(jìn)一步提高了平板顯示器的音質(zhì)，使之具有了與其優(yōu)質(zhì)圖像質(zhì)量相稱的音響效果。隨著液晶電視、液晶顯示器以及等離子電視屏幕的尺寸不斷增大，音頻性能必須隨之相應(yīng)提高。散熱與功耗是傳統(tǒng)AB類、或線性APA本身所固有的問(wèn)題，這妨礙其難以成為最新平板顯示器的良好解決方案。

　　由于線性放大器的效率低下，平板顯示器業(yè)轉(zhuǎn)而采用D類APA作為音頻解決方案。D類APA的操作熱量更低，消耗的功率也少得多。采用D類APA的設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)一步提高其應(yīng)用的音頻功率性能，同時(shí)又不會(huì)增加熱量與功耗，從而可以保持體積較小的變壓器與穩(wěn)壓器，并消除了采用散熱片的必要。事實(shí)上，D類APA甚至可以在增強(qiáng)功率性能的同時(shí)還能降低熱量與功耗。

　　為了最大化D類APA的性能，我們只需遵循有關(guān)文檔詳細(xì)要求的布局及測(cè)試程序即可。德州儀器 (TI) 的應(yīng)用手冊(cè)提供了全部所需內(nèi)容，本文也將提及有關(guān)內(nèi)容。

線性APA的問(wèn)題

　　線性APA由于電源通過(guò)線性放大器的輸出級(jí)晶體管產(chǎn)生的壓降而導(dǎo)致其自身效率低下 [1]。事實(shí)上，大多數(shù)情況下，其消耗的功率比所提供給喇叭的功率還要高。線性放大器之所以效率不高，原因在于電源通過(guò)線性放大器的輸出級(jí)晶體管產(chǎn)生的壓降 [1]。當(dāng)線性放大器的輸出電壓信號(hào)與電源電壓不相等時(shí)，放大器會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部功率損失。當(dāng)放大器的輸出電壓信號(hào)與電源電壓相等時(shí)，放大器又會(huì)產(chǎn)生失真，因?yàn)殡妷盒盘?hào)被電源軌剪切了，請(qǐng)參見圖一。

圖一、10-V、1-kHz正弦波剪切電源軌

　　剪切造成的失真影響聽覺(jué)享受，通常應(yīng)當(dāng)避免。因此，總會(huì)有從電壓至輸出電壓信號(hào)的內(nèi)部壓降。壓降值由電源電壓 (VDD) 減去輸出電壓的RMS值獲得。壓降乘以平均電源電流IDD(avg)　就得到線性放大器的內(nèi)部功耗。壓降越大，放大器的效率就越低。計(jì)算差動(dòng)輸出線性放大器的簡(jiǎn)單方程式如下：

h = (p*sqrt(2*P_L*R_L))/(4*VDD)(1)

其中，

P_L = 喇叭獲得的功率
R_L = 喇叭電阻
VDD = 電源電壓

　　從方程式1中，從12-V電源向8-ohm 喇叭提供3 W 功率的線性放大器的效率僅為45%，也就是說(shuō)，立體聲解決方案的總功耗為13.3 W。一般17英寸LCD監(jiān)視器（它還需要一個(gè)3 W放大器）的總功耗為90 W。在該例中，線性放大器可消耗提供給LCD監(jiān)視器總功率的近15%。此外，放大器還散發(fā)7.3 W的熱量，這就要求采用較大的散熱片。

D類APA如何解決線性放大器的問(wèn)題

　　與線性APA不同，D類APA的效率不取決于PL或VDD。從理論上講，D類APA的效率達(dá)100%，因?yàn)镈類輸出晶體管是作為快速開啟與關(guān)閉的開關(guān)而發(fā)揮作用的。當(dāng)晶體管開啟時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓 (supply voltage)。如果晶體管是完全在理想狀況下的，那么就不會(huì)出現(xiàn)壓降，乘以平均電源電流時(shí)也就不會(huì)導(dǎo)致功率消耗。此外，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，它們則成為開放的電路，無(wú)電流通過(guò)該電路，因此相應(yīng)也就沒(méi)有功耗。圖二顯示了D類APA--TPA3004D2的輸出波形圖。

圖二、TPA3004D2、12-W立體聲D類APA輸出波形圖

不過(guò)，非理想狀態(tài)的晶體管在開啟時(shí)并非短路。因此，D類效率主要由輸出晶體管的導(dǎo)通電阻rds(on) 決定。計(jì)算D類放大器的簡(jiǎn)單方程式如下 [2]：

h = (R_L/(R_L + r_ds(on))) x 100% (2)

　　應(yīng)用前面決定線性放大器效率為45% 時(shí)相同的操作條件，且假定r_ds(on) 為0.58 ohm，這時(shí)得到D類的效率為93%。但是，隨著器件進(jìn)入穩(wěn)定的操作狀態(tài)而升溫，且r_ds(on) 也隨之升高，我們以 87% 作為效率值以對(duì)其進(jìn)行更準(zhǔn)確的反映。與線性放大器消耗的13 W相比，D類放大器的總功耗僅為6.8 W。由于功耗降低了48%，因此設(shè)計(jì)人員可采用更小的變壓器與穩(wěn)壓器。此外，相比于線性放大器高達(dá)7.3 W 的功耗，D類功耗僅為0.8 W，因此并不要求采用散熱片。

　　250-kHz 的開關(guān)頻率對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行最低 10 倍采樣，從而確保了音頻的高質(zhì)量，與如今采用線性放大器的應(yīng)用相當(dāng)或優(yōu)于目前應(yīng)用水平。圖二給出的高頻PWM輸出波形帶有音頻信號(hào)。喇叭作為僅復(fù)制音頻頻率的低通濾波器發(fā)揮作用。在大多數(shù)應(yīng)用中，在喇叭之前還要求進(jìn)行最小過(guò)濾以減小EMI。

用于平板顯示器的新型D類APA解決方案

　　為了滿足各種平板顯示器尺寸的需求，目前有幾種新型的D類APA可供選擇，請(qǐng)參見圖三。當(dāng)為平板顯示選擇APA時(shí)，輸出功率是應(yīng)當(dāng)考慮的主要規(guī)范。平板顯示器越大，所要求APA的輸出功率也就越大，因?yàn)樽罱K用戶觀看屏幕內(nèi)容時(shí)距離屏幕的距離會(huì)加大。

圖三、平板顯示器的 D 類音頻功率放大器

　　圖三顯示的所有立體聲D類APA均采用48引腳四方扁平表面貼裝封裝，且彼此引腳排列布局是相互兼容的。單聲道TPA3001D1采用24引腳的TSSOP封裝，最大尺寸僅為6.6mm x 7.9mm。與此相當(dāng)?shù)木€性放大器采用通孔單排封裝 (through-hole single in-line package) 或雙排封裝 (dual in-line package)，并且它們要求手工組裝，尺寸也不理想，為19.6mm x 22.5mm，大出8.5倍之多。此外，它們還要求采用散熱片。

　　TPA3004D2與TPA3002D2提供的特性包括集成的反移植電路系統(tǒng) (depop circuitry)、DC音量控制、關(guān)斷控制以及立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的直連輸出等。TPA3001D1、TPA3008D2以及TPA3005D2以四個(gè)集成的固定增益設(shè)置代替DC音量控制，以消除外部反饋與輸入電阻。最后，TPA3003D2還提供了低功率立體聲D類備選方案，該方案除不具備立體聲耳機(jī)放大器直連輸出之外，擁有TPA3002D2的所有特性。

　　所有D類放大器采用全差動(dòng)輸入級(jí)與橋接輸出級(jí)，在最大化輸出功率的同時(shí)還能最小化噪聲。

如何采用D類APA進(jìn)行設(shè)計(jì)工作

本部分將全篇幅引用TI的兩本應(yīng)用手冊(cè)：《TPA300x系列部件布局指南》[3] 以及《測(cè)量音頻功率放大器性能指南》[4]。

優(yōu)化TPA3000D 放大器的性能時(shí)，必須將如下五大布局因素納入考慮范圍：

1. 利用開關(guān)電流最小化跟蹤環(huán) (trace loop)，并用開關(guān)電壓最小化大面積的鍍銅區(qū)域。近場(chǎng)磁噪聲 (Near-field magnetic noise) 由引導(dǎo)開關(guān)電流的大跟蹤環(huán)造成。電場(chǎng)噪聲由具有開關(guān)電壓的、大的表面區(qū)域造成；
   
2. 輸入跟蹤的線路與輸出跟蹤分開，從而可最小化來(lái)自輸出的所有輸入噪聲耦合；
   
3. 僅將輸出功率接地及信號(hào)接地連接至PowerPAD™。如連接信號(hào)接地時(shí)未連至PowerPAD，而連接到了其他地方，則輸出功率接地的噪聲會(huì)降低音頻性能。將PowerPAD連接至主去藕電容器或電源；
   
4. 必須將PowerPAD焊接至印刷電路板 (PCB)，以確保適當(dāng)?shù)纳嵝阅芘c最佳的可靠性 [5]；
   
5. 使所有外部組件盡可能靠近IC。組件彼此靠近的放置安排有助于確保最小化的跟蹤環(huán)及表面面積。

《TPA300x系列部件布局指南》[3] 進(jìn)一步細(xì)致地解釋了上述各個(gè)考慮因素。評(píng)估模塊 (EVM) 也為適當(dāng)?shù)牟季痔峁┝艘粋€(gè)很好的實(shí)例。TI 可為所有已推出的音頻功率放大器提供包括PCB布局、示意圖以及材料清單等在內(nèi)的交鑰匙EVM與用戶指南。

測(cè)試D類放大器的性能并不困難，但常常要求低通濾波器，因?yàn)樵S多分析儀輸出都不能準(zhǔn)確地處理快速改變的PWM輸出。圖四顯示了如何將頻率發(fā)生器連接至D類APA，以及如何在APA與分析儀之間連接低通RC過(guò)濾器。

圖四、差動(dòng)輸入--BTL輸出測(cè)量電路。

低通RC過(guò)濾器對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響很小，因?yàn)榻刂诡l率 (cutoff frequency) 設(shè)在20 Hz到20 kHz的音頻帶之上。利用表一中RFILT與CFILT的建議值，截止頻率為 34 kHz。

為了獲取準(zhǔn)確的效率測(cè)量數(shù)據(jù)，R_FILT必須以10進(jìn)制遞增，以減小過(guò)濾器分流的電流。為了保持截止頻率不變，C_FILT必須也以10進(jìn)制減小。

遵循以下五大規(guī)則，有助于獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。

1. 使用平衡的來(lái)源提供輸入信號(hào)；
   
2. 使用具備平衡輸入的分析儀；
   
3. 所有連接均使用雙絞線；
   
4. 當(dāng)系統(tǒng)環(huán)境噪聲較重時(shí)使用屏蔽功能；
   
5. 確保與APA相連的電源線纜以及從APA到負(fù)載的線纜均能夠處理大電流。有關(guān)詳情，敬請(qǐng)參見《測(cè)量音頻功率放大器性能指南》中的表1[4]。

結(jié)論與隨后步驟

D類技術(shù)為需要音頻功能的平板顯示器提供了最佳的音頻功率放大器解決方案。放大器的高效操作能夠最大程度地散熱，從而無(wú)需散熱片，這也減小了總功耗，因此有助于減小變壓器與穩(wěn)壓器的尺寸和成本。

為了快速了解更多有關(guān)D類音頻功率放大器的信息，您可以：

1. 從TI的網(wǎng)址www.ti.com 上下載TPA3001D1、TPA3003D2、TPA3002D2及TPA3004D2數(shù)據(jù)表；
   
2. 從以下網(wǎng)址訂購(gòu)符合表三平板顯示器尺寸的、D類放大器的 EVM： http://focus.ti.com/docs/tool/list.jhtml?familyId=20toolTypeId=6
   
3. 從TI網(wǎng)站下載所選EVM的用戶指南，其包括了示意圖、布局、材料清單等信息。

參考書目：

[1] TPA6211A1 3.1-W單聲道全差動(dòng)音頻功率放大器數(shù)據(jù)表，德州儀器2003年9月，資料號(hào)SLOS367A；
[2] TPA3004D2 12-W帶有DC音量控制數(shù)據(jù)表的立體聲D類音頻功率放大器，德州儀器2003年8月，資料號(hào)SLOS407B。
[3] TPA300x系列部件布局指南，德州儀器2003年7月，資料號(hào)SLOA103；
[4] 測(cè)量音頻放大器性能的指南，德州儀器2001年10月，資料號(hào)SLOA068；
[5] PowerPAD散熱增強(qiáng)型封裝應(yīng)用報(bào)告，德州儀器1997年12月，資料號(hào)SLMA002。

作者介紹
Eric L. Droge于1996年自堪薩斯州立大學(xué) (Kansas State University) 獲得電子工程理學(xué)士學(xué)位，隨后就職于TI。在TI的高性能模擬部門，Droge身兼產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷工作的數(shù)個(gè)角色。目前，Droge 先生現(xiàn)任全球音頻功率放大器市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理。Droge 先生到遠(yuǎn)東與世界其他地區(qū)出差時(shí)，喜歡結(jié)識(shí)新朋友和拜訪老朋友。工作之余他還愛好徒步旅行、野營(yíng)及劃船。