為便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)Ｄ類音頻放大器

張　揚(yáng)　劉　鋼

摘要：大多數(shù)便攜式電子產(chǎn)品需要使用失真低、效率高、體積小，成本低的高性能音頻放大器，只有設(shè)計(jì)優(yōu)良的D類音頻放大器才能同時(shí)滿足所有這些需求本文將探討如何解決在為便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)D類音頻放大器時(shí)經(jīng)常遇到的一些問題，包括效率、電磁干擾(EMl)、失真和噪聲等。

關(guān)鍵詞：D類放大器；便攜式；音頻；揚(yáng)聲器；無濾波

不同含義的效率

D類音頻放大器最具吸引力的特性是高效率。音頻放大器的效率有多種含義不同的效率，傳統(tǒng)定義是輸出電功率與總輸入功率之比。對(duì)于音頻放大器，轉(zhuǎn)換為可聽聲音的電功率與總輸入功率之比需要最大，這引出了另一個(gè)含義的效率。請注意這兩個(gè)效率定義之間的差別：

A，總電氣效率=輸出功率／輸入功率：

B，可聽聲音電氣效率=可聽聲音電氣輸出功率／輸入功率。

音頻電氣效率總是低于總電氣效率，D類音頻放大器尤其如此。

下面是一些提高可聽聲音電氣效率的常用方法：

一、不要使用低于揚(yáng)聲器響應(yīng)頻率范圍的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。例如，大多數(shù)手機(jī)使用的小尺寸揚(yáng)聲器不能有效地響應(yīng)低于400Hz的信號(hào)，而音頻信號(hào)源可能輸出低至30Hz的頻率分量。用低于該頻率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)這些揚(yáng)聲器，不僅會(huì)浪費(fèi)電能和降低可聽聲音電氣效率，而且還會(huì)因?yàn)閷P(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)到線性位移范圍之外而增大揚(yáng)聲器非線性產(chǎn)生的失真。由于大多數(shù)音頻信號(hào)源發(fā)出的最低信號(hào)頻率低于400Hz，因此需在音頻放大器前面放置高通濾波器。可利用輸入耦合電容和放大器的固定輸入阻抗簡單地形成高通濾波器來加以實(shí)現(xiàn)。該濾波器的截止頻率可設(shè)置為揚(yáng)聲器低端截止頻率的幾分之一。

二、不要使用高于揚(yáng)聲器高端截止頻率的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。對(duì)于手機(jī)中使用的典型小尺寸揚(yáng)聲器，這個(gè)頻率在4KHz到10KHz之間，而有些音頻信號(hào)源的信號(hào)最高頻率可高達(dá)20kHz。以高于這個(gè)頻率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)這些揚(yáng)聲器不僅會(huì)浪費(fèi)電能和降低可聽聲音電氣效率，而且也使音頻信號(hào)的波峰因數(shù)(峰值／KMS值)很高，增大了輸出信號(hào)被輸出級(jí)截?cái)嘁灾略黾邮д娴目赡苄浴榱朔乐剐盘?hào)源的高端信號(hào)頻率高于揚(yáng)聲器的高端截止頻率，可在信號(hào)源和音頻放大器輸入之間插入低通濾波器，它可以是簡單的RC濾波器。將低通濾波器放在輸出級(jí)之后效果不好，由于信號(hào)的波峰因數(shù)高，信號(hào)可能在到達(dá)低通濾波器之前已被輸出級(jí)截?cái)唷?/p>

三、盡量減小揚(yáng)聲器中的開關(guān)頻率電流。依賴于D類放大器使用的調(diào)制方案，揚(yáng)聲器兩端的差分電壓在開關(guān)頻率下變化幅度很大。應(yīng)選擇具有“無濾波”調(diào)制方案且開關(guān)頻率足夠高的放大器，否則，需在放大器輸出端用外部電感濾掉開關(guān)頻率分量。8Ω手機(jī)揚(yáng)聲器的典型固有電感在1OμH到15μH之間，當(dāng)開關(guān)頻率為1MHz時(shí)，15μH電感與8 Ω直流電阻的總阻抗為94.6Ω。SSM2301／2302／2304／2306系列產(chǎn)品使用∑-△脈沖密度調(diào)制(PDM)，開關(guān)頻率為1.8MHz。這種調(diào)制方案在揚(yáng)聲器兩端產(chǎn)生的開關(guān)頻率電壓較低，而高開關(guān)頻率使揚(yáng)聲器能利用固有電感有效地阻斷開關(guān)信號(hào)，因而這些器件無需使用外部電感就可把揚(yáng)聲器中的開關(guān)頻率電流保持在低水平。

將電磁干擾降至最低

D類音頻放大器的工作原理決定它需要使用開關(guān)型輸出級(jí)，而這種輸出級(jí)會(huì)發(fā)射出很強(qiáng)的電磁干擾。參見圖1中的原理圖，插入電感或鐵氧體磁珠和使用電容進(jìn)行旁路的措施可把電磁干擾降到低于一定水平進(jìn)而通過標(biāo)準(zhǔn)的EMI測試。下面是選擇電感和鐵氧體磁珠的一些基本準(zhǔn)則：

一、使用額定電流高和開放式磁回路磁芯電感，以避免電感器飽和非線性所產(chǎn)生的失真。屏蔽型電感的飽和曲線常常很“硬”。

與相同額定電流的電感相比，鐵氧體磁珠尺寸較小但造成的失真較大。

二、調(diào)制方案對(duì)輸出電磁干擾會(huì)產(chǎn)生重大影響。ADI公司的SSM2301／2302／2304所使用的∑-△脈沖密度調(diào)制可使電磁干擾均勻地散播出去，更易于通過EMI測試。

PCB(印制電路板)布局對(duì)降低電磁干擾有非常重要的作用。一個(gè)關(guān)鍵措施是讓電源和輸出去耦電容器彼此靠近，這樣就可以將它們的地線端子直接焊在一起，參見圖2給出的PCB布局，它是基于圖1的原理圖實(shí)現(xiàn)的。

另外請注意，所有連接到揚(yáng)聲器端子的PCB走線始于去耦電容焊盤而不是鐵氧體磁珠焊盤，否則，電磁干擾無法降到最低限度。對(duì)于Vdd軌，我們對(duì)c6使用了同樣的技術(shù)。放大器的引腳5和8節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁干擾最大，這些節(jié)點(diǎn)的物理連接尺寸應(yīng)盡可能地小，同時(shí)不要在這些節(jié)點(diǎn)上布局長的PCB走線。

盡量減少失真和噪聲

下面是一些實(shí)現(xiàn)低失真的技術(shù)：

1、對(duì)于要求失真極低的系統(tǒng)，如THD+N(總諧波失真+噪聲)←65dB，應(yīng)在輸出端加電感而不是加鐵氧體磁珠，因?yàn)楹笳呔哂休^高的非線性。

2、采用額定電壓為25V到50V甚至更高、使用X7R材料制造的高壓多層陶瓷電容器作為輸入耦合電容(圖1中的C1和C2)。同額定電壓高的電容器相比，低壓電容器的電容值隨偏置電壓變化的幅度更大。

3、將負(fù)的輸入節(jié)點(diǎn)連接到信號(hào)源(如音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器或編碼解碼器)的地線，而不要簡單地把它連接到自己的接地點(diǎn)上。這種連接方式可最大限度地降低共模噪聲。

4、避免將音頻信號(hào)源器件放在遠(yuǎn)離放大器的地方。避免對(duì)輸入節(jié)點(diǎn)使用長PCB走線。如果迫不得已，將輸入節(jié)點(diǎn)線對(duì)平行布線：一條走線放在板的正面，另一條放在反面。這種方式可最大限度地降低回路所接收到的電磁干擾。

5、避免將高頻(>1MHz)電磁干擾引入到輸入端口，否則，整流效應(yīng)可能把高頻電磁干擾轉(zhuǎn)換成可聽噪聲。圖3顯示了這種整流效應(yīng)。

其它需關(guān)注的問題

消除喀噠聲和噼啪聲：在開機(jī)或關(guān)機(jī)時(shí)，關(guān)斷引腳的切換可使放大器啟動(dòng)或停止，如果放大器Ic的設(shè)計(jì)不合適，揚(yáng)聲器在此時(shí)會(huì)發(fā)出某種“喀噠”聲或“劈啪”聲。前者由窄脈沖產(chǎn)生，而后者由緩慢衰減的階躍函數(shù)產(chǎn)生。通常，D類音頻放大器Ic(如SSM2301／2302／2304／2306)具備消除“喀噠”聲和“噼啪”聲的功能。在產(chǎn)品投入量產(chǎn)之前應(yīng)全面測試這些功能。

如果放大器一直與電池相連，關(guān)斷電流可能是另一個(gè)需要關(guān)注的問題。在選擇放大器IC時(shí)，注意留意這個(gè)參數(shù)。

PSRR(電源抑制比)：對(duì)于手機(jī)應(yīng)用，這個(gè)指標(biāo)特別重要，但它常常通過IC設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)層面做不了什么。

收聽效果

音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)獲得良好的收聽效果，它對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否成功擁有最終決定權(quán)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要聲學(xué)設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。在不久的將來，便攜式電子音頻放大器可能會(huì)結(jié)合一些可均衡頻率響應(yīng)、降低失真和優(yōu)化收聽效果的智能或自動(dòng)化方法。