以更少部件實(shí)現(xiàn)更多功能的音頻放大器設(shè)計(jì)

在音頻放大器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更多功能是音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢，這使 PDA、手機(jī)、筆記本電腦和其它便攜式應(yīng)用的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需的其它組件數(shù)量日益減少。
在音頻系統(tǒng)中，可以傳遞給指定電阻性負(fù)載的最大音頻功率大小受到音頻放大器輸出的最大電壓擺幅或放大器可以傳遞的最大電流擺幅的限制。對于大多數(shù)音頻放大器而言，這種電壓擺幅在很大程度上取決于它的供電電壓，因此，對于指定負(fù)載來說，最大電流和輸出功率將由此電壓擺幅決定。通常情況下，在設(shè)計(jì)音頻放大器時(shí)，需考慮特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)和供電電壓，但是，如果音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要更大的功率，但受到較低供電電壓的制約，則需要采取非常規(guī)的設(shè)計(jì)方法。
許多晶體管收音機(jī)采用變壓器耦合揚(yáng)聲器來實(shí)現(xiàn)更大聲音的輸出。使用匝數(shù)比為 1:2 的變壓器將音頻放大器與揚(yáng)聲器耦合，便會使揚(yáng)聲器的擺幅加倍，從而使功率增大4倍。但是，變壓器的費(fèi)用、尺寸和輻射問題使這種方法在便攜式應(yīng)用中不具任何優(yōu)勢。所幸的是，成本較低且易于使用的新型音頻放大器IC使設(shè)計(jì)者可以在實(shí)際應(yīng)用中使用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來取代變壓器驅(qū)動器。
對于要使揚(yáng)聲器獲得更大功率這一問題，一個(gè)解決辦法就是在揚(yáng)聲器中并聯(lián)兩個(gè)類似的放大器。在無橋接變壓器或橋接式負(fù)載 (BTL) 配置中，盡管可以采用大量不同的方式連接兩個(gè)放大器，但所有這些方式具有一個(gè)共同點(diǎn)：當(dāng)應(yīng)用音頻信號時(shí)，一個(gè)放大器將被非反相驅(qū)動，而另一個(gè)放大器將被反相驅(qū)動，因此使擺幅加倍，致使功率輸出可以達(dá)到以相同供電電壓驅(qū)動單端負(fù)載放大器的4倍之多。在輸入端沒有音頻信號的情況下，兩個(gè)放大器的輸出將與在放大器輸出之間相連的揚(yáng)聲器保持相同的電位。因此，對于單端負(fù)載配置，還可以免去在 BTL 配置中使用的大值耦合電容器。

用3 個(gè)放大器驅(qū)動 2 個(gè)揚(yáng)聲器
類似 BTL 配置的音頻放大器的典型代表是LM4910。LM4910 是一款音頻功率放大器，它能夠?qū)?35mW 的輸出功率傳遞給 32W負(fù)載，而來自3.3V電源的失真(THD+N) 不到1%。當(dāng)脈動頻率為217Hz時(shí)，它還提供65dB的電源脈動抑制 (PSRR)，停機(jī)電流為 0.1mA。
圖 1 是LM4910 的頂層框圖。在VO1和VO2端沒有輸出耦合電容器，這一般出現(xiàn)在傳統(tǒng)的單端耳機(jī)放大器應(yīng)用中。消除輸出耦合電容器的新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還無需使用半供電旁路電容器或參考旁路電容器，它將半供電電壓(1/2VDD)阻塞到輸出放大器通常偏置到的程度，并且將音頻信號耦合至耳機(jī)。這樣至少節(jié)省了3個(gè)電容器，從而在設(shè)計(jì)中減少了系統(tǒng)成本和PCB 面積。
傳統(tǒng)的三線耳機(jī)插頭可以與 LM4910 配合使用(參見圖 2)。端頭和環(huán)承載左邊和右邊的音頻信號，該插頭的套筒公共端將與耳機(jī)插孔的套筒相接觸。但是，耳機(jī)插孔套筒不接地，取而代之的是，LM4910的Vo3輸出端向耳機(jī)插孔的套筒施加 1.58V的電壓，以便匹配放大器1和2 提供的直流輸出。該耳機(jī)的操作方式與BTL模式類似，將相同的直流電壓施加于兩個(gè)耳機(jī)揚(yáng)聲器終端，這將導(dǎo)致流經(jīng)揚(yáng)聲器的不是凈直流電。當(dāng)耳機(jī)揚(yáng)聲器的音頻信號輸出幅度在揚(yáng)聲器的終端增大時(shí)，將有交流電流經(jīng)耳機(jī)揚(yáng)聲器。
對于極少數(shù)的直流耦合消費(fèi)類音頻設(shè)備來說，接地的耳機(jī)插孔套筒狀況是可能出現(xiàn)的，在這種狀況下，LM4910 短路保護(hù)將被激活，并且放大器 3 會立即關(guān)閉，這將在短路狀況下保護(hù) LM4910 以及外部設(shè)備。

更快的打開時(shí)間至關(guān)重要
另一個(gè)使用無電容器耳機(jī)操作的器件是LM4854，它既是單聲道差分音頻功率放大器，又是立體聲耳機(jī)放大器。該單聲道BTL模式器件采用單個(gè)5V電源操作，可以向 8W負(fù)載傳遞 1.1W 的功率。在立體聲模式下，該放大器將向 32W負(fù)載傳遞85mW的功率。
LM4854 的兩個(gè)主要特性是：具有非?？斓拇蜷_時(shí)間，并且可以實(shí)現(xiàn)無電容器耳機(jī)操作，待機(jī)模式的打開時(shí)間通常為0.1ms。 當(dāng)處于待機(jī)模式時(shí)，該器件僅僅輸出靜音，并且關(guān)閉一些內(nèi)部電路，將供電電流降到典型值 27mA。當(dāng)處于停機(jī)模式時(shí)，它將通過禁用內(nèi)部的所有偏置電路，進(jìn)入極低電流的微功率操作。產(chǎn)生 VDD/2 的電路也處于停機(jī)狀態(tài)，并且該放大器的輸出將靜音。待機(jī)和停機(jī)狀態(tài)下的打開時(shí)間存在很大的差異。待機(jī)狀態(tài)下的打開時(shí)間為0.1ms，停機(jī)狀態(tài)下的打開時(shí)間為120ms。
在單個(gè)部件上實(shí)現(xiàn)更多功能
一些音頻放大器的用途是盡可能降低設(shè)計(jì)中附加無源組件的數(shù)量，而另一些音頻放大器則是在單個(gè)部件上納入更多的功能。
LM4838 是一個(gè)單片 IC，它可以提供直流音量控制和可選增益或低音增強(qiáng)，同時(shí)，該立體聲橋接放大器還能夠向 4W負(fù)載提供2W的功率，THD不到 1.0%。此器件的優(yōu)勢在于改進(jìn)了直流音量控制。它的等高線或傳遞函數(shù)經(jīng)過精心選擇，可以更好地適應(yīng)人耳對電平變化的響應(yīng)方式。它具有外部設(shè)置的增益，并且可用于低音增強(qiáng)操作。當(dāng)使用具有有限低頻響應(yīng)的外部揚(yáng)聲器時(shí)，它相當(dāng)有用。此外，它還有通過部件檢測和發(fā)送的系統(tǒng)蜂鳴輸入，可以驅(qū)動 BTL 或立體聲耳機(jī)。
另一個(gè)器件 LM4857，它內(nèi)置音頻放大器、獨(dú)立的音量控制、混頻器、功率管理控制和3D增強(qiáng)技術(shù)(參見圖 3)。其中，音頻放大器是每個(gè)頻道向8W負(fù)載傳遞 495mW功率的立體聲揚(yáng)聲器放大器、每個(gè)通道向32W負(fù)載傳遞33mW 功率的立體聲耳機(jī)放大器、向32W負(fù)載傳遞43mW功率的單聲道耳機(jī)放大器，以及外部供電免提揚(yáng)聲器的線路輸出，所有輸出的失真不到 1%。

添加 DAC 和編/解碼器
在單個(gè)芯片中納入附加功能以便進(jìn)一步減少便攜式應(yīng)用尺寸和成本的措施還包括加入D/A轉(zhuǎn)換功能。例如，除了在單個(gè)封裝中組合音量控制和功率放大器之外，LM4921還在芯片上組合了16位CD質(zhì)量的分辨率、立體聲、I2S輸入和DAC。這種新器件節(jié)省了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布局時(shí)間，同時(shí)可以使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口從 MP3 解碼器移動音樂數(shù)據(jù)(參見圖4)。
LM4930集成了語音頻帶編解碼器。除了 DAC 和編/解碼器外，LM4930 還包括模擬麥克風(fēng)輸入，具有 ADC 并且對芯片上的所有輸入和輸出實(shí)現(xiàn)全面的增益控制。集成的 8kHz 語音頻帶編/解碼器將標(biāo)準(zhǔn)的 PCM 數(shù)字音頻接口用于語音數(shù)據(jù)。與I2C兼容的控制接口用于設(shè)置語音頻帶編/解碼器和音頻 DAC，并完成不同的輸出模式以及不同的音量控制設(shè)置。例如，可以將語音發(fā)送至單聲道輸出或立體聲耳機(jī)輸出。器件中還集成了完全混合和側(cè)音控制。■